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埋弧自動焊的介紹和應用分析

2019年01月21日

埋弧自動焊是應用最早的自動焊方法之一,最初用在大型管道的縱縫焊接。經改進后,配置管道驅動機可實現管道環縫自動焊。在管道預制采用埋弧焊時,存在焊渣清理困難的現象,經實踐摸索發現,焊渣清理困難主要原因是坡口角度、焊接電流、電弧電壓、焊接速度、焊接位置調整不當,造成焊接參數不匹配,最終導致清渣困難和產生未熔合、夾渣等缺陷。本文通過大連逸盛PTA工程改造項目,寧波中金石化、嘉興三江石化和鄂爾多斯中天合創煤化工項目管道預制中埋弧焊實際應用,闡述埋弧焊的冶金特點、焊接工藝參數對焊縫質量的影響和焊接要領,防止缺陷產生。


1、埋弧焊的優缺點分析


1.1 埋弧焊相對于其他焊接方法的優點:1)能夠以高的焊接速度和熔敷效率完成大厚件的對接、角接和搭接焊縫。2)埋弧焊劑具有脫氧還原和向焊縫中滲合金作用,可以得到力學性能優良、致密性高的優質焊縫金屬。3)埋弧焊過程中沒有飛濺,熔敷效率高,焊縫表面光滑整潔。4)焊接過程中沒有弧光,焊工勞動條件好。5)焊接過程中產生很少的煙塵。6)埋弧焊可以采用大的焊接電流、電壓和焊接速度,容易實現自動化焊接,焊接參數調整范圍廣,生產效率高。7)埋弧焊對風不敏感,因此最適合野外管道預制。

1.2 埋弧焊的缺點:1)埋弧焊只適合平焊和橫焊位置焊接。2)設備占地面積大,一次性投入高。3)由于看不到焊絲和熔池,焊工不容易判斷焊道位置和寬度,最后一道焊道不容易焊出理想焊道。4)對需要嚴格控制熱輸入的材料的焊接,要采取必要的降溫措施。


2、埋弧焊的適用范圍和焊絲、焊劑的選配


目前埋弧焊可以完成所有牌號的低合金鋼、部分中碳鋼,各種低合金高強鋼、耐熱鋼、低溫鋼和不銹鋼以及高合金耐熱鋼焊接,基本覆蓋現在石油化工裝置中管道材質。


埋弧焊時,必須根據母材的成分和性能正確地選配焊劑和焊絲,不同制造商的焊劑是沒有互換性的,在未經實驗驗證的前提下,不不得將所使用的焊劑改為其他制造商的焊劑。


一般根據熔敷金屬所需的力學性能來選擇焊劑,焊絲與焊劑相匹配,以保證所需的焊縫力學性能。焊劑制造商會給出適用于各種鋼材的焊劑和焊絲組合,焊接時應根據母材類型、焊道數量等選擇焊劑制造商推薦的焊絲-焊劑組合。對于關鍵或重要的焊縫,應進行必要的工藝試驗來驗證所用的工藝是否能滿足設計工藝要求。


按照冶金反應,焊劑分中性焊劑、活性焊劑和合金焊劑三種。焊劑通過一定方式向焊縫中過渡合金元素,有時焊絲也會向焊縫中過渡合金元素或脫氧元素。


中性焊劑不會明顯改變焊縫金屬的化學成分, 通常用于多道焊;活性焊劑中含有少量的氧化錳或氧化硅,通過冶金反應向焊縫中少量過渡錳和硅,有利于避免氣孔和裂紋。這類焊劑通常用于單道焊;合金焊劑是在中性焊劑和活性焊劑中添加合金元素制成,可與普通碳鋼焊絲配合使用焊接合金鋼焊縫,也可以焊接特定母材的焊縫。


3、埋弧焊工藝參數


影響焊縫尺寸的主要因素是熱輸入。影響熱輸入的主要因素是焊接電流、電弧電壓和焊接速度。焊接電流的影響最大,焊接電流直接影響熔深。


埋弧焊的參數分主要參數和次要參數。


主要參數是指對那些直接影響焊接質量和效率的參數,包括焊接電流、電壓、速度、電流種類、極性和預熱溫度;


次要參數是指對焊縫質量產生有限影響的參數,包括焊絲干伸長度、焊絲傾角、焊接位置、焊劑粒度等。


對于特殊材質,焊絲和焊劑的選型匹配需要通過焊材生產廠家和焊接實驗室完成焊接工藝評定,確定焊絲和焊劑組合能達到工藝要求。


焊接工藝參數從兩方面影響焊縫質量。一方面,焊接電流、電弧電壓和焊接速度三者合成的焊接線能量影響焊縫的強度和韌性;另一方面,這些參數影響焊縫成形,影響到焊縫的抗裂性,氣孔和夾渣的敏感性。只有這些參數合理的匹配,才能焊出高質量的焊縫。因此,操作者主要是調整焊接參數、控制焊縫成形。操作者要熟練掌握焊接工藝參數對焊縫成形的影響。


3.1 焊接電流


焊接電流是決定焊絲熔化速度、熔深、母材熔化量的重要參數。焊接電流對熔深影響最大,焊接電流增大,提高填充速度和增加熔深。焊接電流過大易擊穿;焊接電流過小,會造成焊接過程不穩定,產生未熔合、夾渣等焊接缺陷。


3.2 電弧電壓


電弧電壓與弧長成正比,在其他參數不變的前提下,電弧電壓增大,提高電弧高度,熔寬增大,焊劑消耗量增加,焊縫余高降低。電弧電壓過大會形成淺而寬的焊縫,容易產生未熔合、咬邊等焊接缺陷,焊縫不飽滿;電弧電壓過低,會形成高而窄的焊縫,焊道兩側熔合不好。另外,電弧電壓過大會導致焊縫產生裂紋,原因是當電弧電壓過大時,焊劑熔化量增多,過量的脫氧元素過渡到焊縫中,降低焊縫的塑性。因此,焊接時必須采用焊劑制造商推薦的電弧電壓。


低的電弧電壓可以提高電弧的剛性,增加電弧熔透性,在深坡口底層焊時最有利。過低的電弧電壓會形成凸起的焊道,使熔寬降低,容易產生未熔合,焊渣不易清除。


3.3 焊接速度


焊接速度決定焊接線能量,在其他條件不變的前提下,提高焊接速度,能夠減小熱輸入和填充量。焊接速度增大,焊縫余高降低,熔深變淺,易產生未熔合和氣孔。焊接速度過大,會造成焊道兩側熔合不好,甚至造成層間未熔合。焊接速度過小,會造成擊穿。


如果焊接速度過慢,電弧和焊絲在熔池上方停留時間長,焊縫成形變差,并產生飛濺,電弧會穿過焊劑層造成閃光。


3.4 焊接位置


管道埋弧自動焊的焊接位置為平焊位,由于管子在不斷的旋轉,熔化的焊劑和熔池金屬由于離心力的作用而有離開電弧燃燒區的傾向,因此管道自動焊時,焊絲的位置要有一段偏移量,使熔池旋轉到中心位置時正好凝固。 偏移量過大,會形成熔深淺,表面下凹的焊道;偏移量過小,則會形成深而窄的焊道,焊道中間凸起,焊縫成形不良,并容易造成擊穿。偏移量除了與管子直徑有關外,還與焊接速度有關,焊接速度越大,偏移量越大。見圖1、表1。






3.5 坡口角度


管道埋弧自動焊,坡口角度的影響主要表現在第一、二層焊接,如果此處的坡口角度太小,電弧不能達到打底層處,會造成電弧在坡口內燃燒,打底層熔化不好,形成層間未熔合;如果坡口角度過大,熔池周圍的導熱性降低,容易造成擊穿。理想的坡口角度是單側30°坡口,≥25°。另外,兩側坡口角度不一樣也會影響焊接質量,坡口角度小的一側導熱性高于坡口角度大的一側,導致兩側溫度不一樣,電弧有向溫度高的方向偏移的傾向,因此容易產生側壁未熔合。遇到這種情況,可以將焊槍偏向小角度一側坡口,使這一側坡口得到更多的熱量,彌補散熱損失,從而得到均勻的焊縫。


另外,坡口角度過小,如因為打底層焊接時用砂輪機開縫,損傷原始坡口,形成近似的I型坡口,這時采用埋弧焊焊接第一層時,由于母材兩側冷卻速度快,導致焊縫中氣孔沒有時間溢出,在埋弧焊第一層形成小的針狀氣孔。


3.6 焊劑粒度和堆高


焊劑的粒度由過篩的目數決定。焊劑粒度和堆高對焊縫成形有一定影響。


焊劑粒度應根據焊接電流選擇,細顆粒焊劑適合大電流焊接,能夠得到大熔深和寬而平的焊道;粗顆粒焊劑適合小電流焊接。如果在小電流下使用細顆粒焊劑,由于焊劑層密封性好,氣體不易溢出,會在焊縫表面留下斑點;如果在大電流下使用粗顆粒焊劑,由于焊劑保護效果不好,會在焊縫表面形成凹坑或粗糙的波紋。


焊劑層堆高過大或過小都會在焊縫表面形成凹坑、斑點和氣孔。焊劑堆高過小,電弧不能完全埋住,會出現閃光和燃燒不穩定,導致熱量不集中而降低熔深;焊劑堆高過大,焊縫受到熔渣殼的約束,會影響到焊縫的表面成形。焊劑堆高以不出現閃光,氣體能夠均勻的從周圍溢出為宜。


3.7 電流種類和極性


弧焊選擇直流電源。極性一般選擇反極性接法,原因是電弧在負極產生的熱量高,可以提高電弧熔透性。如果采用直流正極性接法,焊絲為負極,能夠得到做大的熔覆率。交流埋弧焊的熔覆率介于直流正反兩種接法的中間。


3.8 干伸長度


干伸長度是指電流導入焊絲點到焊絲端點之間的距離,也稱作焊絲導電長度。通常情況下,導電嘴到工件的距離在25~40mm之間。干伸長度增加,會提高熔敷效率,但降低了熔透性。


3.9 焊絲傾角


焊絲與焊件之間的角度稱作焊絲傾角。焊絲指向熔池前方,稱作前傾;焊絲指向熔池后方,稱作后傾。焊絲傾角對焊縫成形有影響,前傾焊產生扁平的焊縫,后傾焊產生駝峰狀焊縫,焊接時,焊槍一般選擇垂直工件。


4、管道埋弧焊焊前準備


焊前準備主要有焊接參數預調、焊劑準備、焊接回路檢查、滾輪架聯動等。


4.1 焊接參數預調:根據管徑大小和壁厚預先將焊接參數進行粗調整,焊接電流、電弧電壓和焊接速度根據經驗進行粗匹配,電流不能過大,速度不能過小,主要防止燒穿和未熔合。


4.2 焊劑準備:將烘烤過的焊劑填裝在焊劑下料斗中,并根據焊口大小預備適當的焊劑,準備隨時添加。焊劑不能一次從烘干箱中拿出來太多,防止焊劑吸潮后產生氣孔,特別是不銹鋼焊劑,吸潮厲害,應根據環境濕度和溫度考慮一次拿出多少為宜。


4.3 焊接回路檢查:主要檢查焊絲剩余量和焊機地線接觸是否良好,保證一道焊口能夠順利的焊接完畢。


4.4 滾輪架聯動:焊前要檢查滾輪架的啟停和速度是否可調。發現問題要及時解決。如果滾輪架聯動出現問題,焊接無法進行。


5、管道埋弧自動焊的操作要領


管道埋弧自動焊時,焊接電流、焊接電壓和焊接速度的合理匹配是保證獲得優質焊縫的前提。三者匹配合理,焊道光滑,焊渣便于清理,并能夠將打底層出現表面咬邊、輕微未熔合熔出來,并防止將打底層擊穿。如果匹配不合理,會出現擊穿、層間未熔合、夾渣等焊接缺陷。


焊接操作過程中,焊工要學會“看”和“聽”來判斷參數大小、熔深、熔池反應和電弧燃燒。


5.1 看


包括焊劑層堆高、焊道表面、熱焊背面顏色、焊槍位置、閃光等5項內容。


5.1.1 焊劑層堆高:參看5.6中描述。


5.1.2 焊道表面:包括焊縫的焊紋和焊縫顏色兩部分。


(1)焊紋:焊道表面的紋理可以反映出熔池的形狀,進一步判斷出參數的大小。熔池頭部為圓形,尾部呈現橢圓形或箭頭形,當尾部呈現橢圓形或圓形時(見圖2中1、2),說明焊接參數大小匹配合理;焊縫表面光滑,看不出焊紋,說明焊接速度、電流、電壓和管子旋轉穩定,是最好的埋弧焊焊縫成形(見圖2中5、6) 當尾部呈現箭頭狀時,說明焊接速度過大、焊接位置靠后或焊接電流過大(見圖2中7)。


(2)焊縫顏色:質量好的焊縫表面,碳鋼焊縫反映出油光光的青藍色,表面光滑美觀,焊道潔凈直暢,焊縫與母材熔合、過渡良好,渣殼能夠自然翹起并脫落;不銹鋼焊縫表面呈銀白色、金黃色(見圖2中8)。


質量不好的焊縫表面焊紋不均勻、有凹坑、斑點,焊道兩側與母材熔合不好,焊道邊緣有殘留熔渣。


焊接參數合理,焊劑烘烤得當,不銹鋼焊縫表明為銀白色,熱影響區呈現黃色或深黃色。




5.1.3 熱焊背面顏色 通常打底層焊道背面出現深黃色,冷卻后的焊道出現青灰色氧化并有少量氧化膜脫落,表明熔深達到或超過焊層厚度的1/2;底層焊道呈現淡黃色,中心出現白色,熔深達到焊層厚度的70%;底層焊道呈現白色,背面氧化膜成塊脫落并伴隨局部熔化痕跡,此時的熔深達到80%,當焊接速度產生波動或由于管子橢圓造成焊槍距離變動而調整焊槍高度時,容易將焊道擊穿。


5.1.4 焊槍位置 參看3.4中描述。


5.1.5 閃光 在焊接過程中,會出現不同程度的閃光現象,主要是焊劑層厚度不夠,不能完全埋住電弧所致。但是,有少許閃光出現可以幫助判斷電弧燃燒的位置,防止燒偏。少許的閃光不會影響焊接質量。


5.2 聽 


焊接過程中,電弧燃燒、熔滴過渡、氣泡起浮均能發出一定節奏的聲音,通過聽聲音,可以判斷出電弧燃燒是否穩定,熔滴過渡是否均勻,熔池中化學反應是否正常。


5.2.1 焊接過程中聲音協調一致,發出均勻的“咂砸”聲,則表明參數穩定協調,焊縫成形好。


5.2.2 焊接過程中“咂砸”聲伴隨有不定時的雜音,則表明熔池化學反應強烈,原因是焊道或焊劑中污物多,產生大量氣體溢出,此時可以盡可能的增大參數使污物燒掉。


5.2.3 聽到“噗噗”聲說明焊接參數太大,焊縫擊穿。


5.2.4 過程中聽到異常爆裂聲,熔池表面熔渣起伏不定,電壓和電流波動大,表明熔池化學反應過度,產生過量氣體,有時焊縫表面會出現單個連續氣孔。


產生原因:一、焊劑嚴重受潮;二、電壓過大,焊劑熔化量增大進而使熔池中反應氣體增多;三、焊道表面或焊絲被油、銹污染。


6、管道埋弧焊工藝參數


埋弧焊參數與坡口角度、對口間隙、打底厚度有關,比如坡口角度小,相對來講打底厚,埋弧焊時層次少。


大管徑焊口錯口量大,在埋弧焊蓋面時,一道蓋面不如分兩道蓋面外觀好。因此需要增加層次。多道蓋面時,第一道適當降低電壓,減少熔寬;第二道時適當增加電壓,提高熔寬,焊道整體觀感好。


厚壁管道填充焊時,第三層以后可以盡量加大電流并提高速度。加大電流是為了增加焊絲熔敷速度,提高速度是為了防止電流大擊穿焊道,從而整體提高焊接速度。


不銹鋼導熱性差,焊接參數較碳素鋼小。埋弧焊不銹鋼時,焊劑保護好,焊劑熔化后增加了焊接潤濕性,焊道兩側熔合較好。但是由于不銹鋼導熱性差,不可盲目增加電流和速度來提高整體焊接速度,否則容易產生層間未熔合。埋弧焊工藝參數見表2。





經過實踐摸索,焊工已熟練掌握管道埋弧自動焊碳鋼、不銹鋼的操作要領,經射線檢測,共累計探傷片2723張,埋弧焊的合格率為99.6%, 取得了很好的經濟效益。

德州樂瀚焊材有限公司主要生產經營高強碳鋼焊絲、二氧化碳氣體保護焊絲、埋弧焊絲、氬弧焊絲、不銹鋼焊絲等焊材產品,樂瀚”焊材是國內第一家引入豐田管理的焊材企業,“持續改善、以質取勝”的經營方式,在焊材行業立于領航地位。

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