脉冲埋弧横焊工艺研究及其在石油储罐焊接中的应用

脉冲埋弧横焊工艺研究及其在石油储罐焊接中的应用曲丹，李桓，陆权森，高莹天津大学材料科学与工程学院天津300072E-mail（[e-mail]）摘要：本文把横焊位置脉冲埋弧焊的熔池简化为承受脉冲载荷的固体金属表面的液态金属，分析了双丝脉冲埋弧横焊缝打底焊的熔池受力情况和运动状态。实验证明，脉冲埋弧横焊打底焊不仅可以利用峰值电流保证熔深，消除未焊透，而且可以减少普通单丝埋弧横焊打底焊容易出现的焊穿情况，拓宽了普通单丝埋弧横焊缝打底焊的工艺参数范围。关键词：脉冲；埋弧焊；石油储罐；横焊；咬边0前言我国大型储罐施工建设进入新一轮的高速发展期，油罐焊接施工的特点是焊接任务量很大、焊接质量要求高，所以焊接施工和焊接市场竞争的主要因素是高效的焊接新工艺。因此，目前国家石油战略储备库以及地方油库的储油罐焊接生产中，埋弧自动横焊是广泛使用的焊接工艺。焊接生产中主要通过提高焊接速度或者提高熔敷效率来提高生产效率。在埋弧焊中，为满足对于熔深的要求，一般在提高焊接速度的同时增大焊接电流，但是增大的电流会引起电弧力的明显增大。这种情况下，会产生一系列的焊接缺陷，其中，咬边是昀常见的缺陷，它容易造成结构件的应力集中，是耐热耐压容器的薄弱环节[1]。本文利用天津大学自主开发的单丝/双丝脉冲控制器应用在储油罐焊接生产中的埋弧自动横焊工艺中，通过无脉冲、单丝脉冲、双丝脉冲的焊接试验，验证消除咬边的机理，探索单丝/双丝脉冲焊工艺对提高埋弧横焊焊接质量的作用，尤其是双丝脉冲埋弧横焊打底焊中，在脉冲电流引起的脉冲作用力从工件正反两侧共同作用下的熔池受力状态和运动状态，探讨脉冲埋弧横焊打底焊的特殊作用[2]。1脉冲焊消除横焊位置咬边的机理咬边的形成与熔池的扰动、熔融金属形成紊流及焊缝金属在凝固前未能填满相关。熔化电极过渡至扰动的熔池及尔后凝固构成的焊缝可由其表面上留存的波纹反映出熔池扰动的剧烈程度。促使熔池两侧急剧搅动的变数有：焊丝类型、电弧长度、电流大小及电特性、待焊件的结构状态（包括焊接位置）、工艺可达性和材料性能[3]。把熔池受到的电弧力和熔滴冲击力联合考虑，熔池在脉冲载荷的作用下，可形成规律的振荡，焊接熔池表面产生明显的变形。电流的周期性变化将导致作用在熔池上的电磁力也作周期变化，从而增强熔池的搅拌，使得熔池边缘的液态金属温度提高，焊接熔池中的温度场变得相对均衡，进而减小了其表面张力，使得熔池边缘的金属表面张力的合力方向能够有效地改善咬边。周期变化的电弧力、熔滴冲击力和表面张力合力共同作用下的熔池产生振荡，能够把熔池金属有效地向通常过渡不到的部位（如焊趾处）排挤，从而增加熔池与母材的接触面积，有效的消除由于焊速提高而造成的咬边等成形问题。因此，电磁力、熔滴冲击力以及表面张力的合力都是随焊接电流的变化做周期性-1-变化，这样的周期性变化有利于消除咬边。2脉冲埋弧横焊试验系统的构建本文介绍的脉冲埋弧横焊焊接方法的主要原理是：在弧焊电源为平特性的条件下，采用等速送丝系统，利用单丝/双丝脉冲控制器（使两台弧焊电源呈推挽式脉冲输出），在横焊位置形成直流脉冲焊工艺。对于双丝脉冲焊而言，外加给定的脉冲控制信号被转换为弧焊电源可识别的焊接电压给定信号，通过弧焊电源的遥控控制接口或端子被接入弧焊电源，快速交替改变电压给定值，以达到两台弧焊电源呈反相位脉冲式输出的目的[4]。该脉冲控制器在单片机的控制下，按照直流脉冲焊的控制要求，生成频率、占空比可调的脉冲控制信号，将给定峰值及基值电压信号通过光电耦合器送往受控制的直流焊机外接端子板，并以遥控电压给定的方式控制电焊机的输出电压。两路输出采用了推挽式设计，波形为反相位，并且两路输出的峰值、基值电压是互相独立可调的。另外，在控制器上设置了键盘及数码管，以增强操作的方便性及直观性[5]。单片机电源晶振AC110VDC5V译码驱动扫描5位8段数码管键盘光耦控制信号峰值基值控制信号电焊机远程控制端主输出从输出频率指示位占空比指示位图1控制器功能原理图本文以双丝脉冲控制器为协调机构，把林肯系列弧焊电源和埋弧横焊焊车系统联合构建成脉冲埋弧横焊系统；选择Q235碳素结构钢作为母材，焊丝选用H08A，配以SJ101焊剂；坡口形式采用单边V型坡口与双面坡口。3脉冲埋弧横焊试验的工艺研究在研究石油储罐焊接这一复杂的问题中，包含着多种因素：脉冲参数（焊接电压峰值，电压基值，脉冲频率，占空比等），焊接电流，焊接速度，焊枪角度，坡口形式等等[5][6]。现在希望通过试验对没有脉冲的普通埋弧横焊工艺和脉冲埋弧横焊工艺进行对比，来判断消除咬边的机理是否能够通过脉冲埋弧焊工艺在横焊位置的应用得以验证，并检验其应用的效果如何。-2-单丝普通埋弧横焊盖面焊道工艺参数表试验编号电压(V)电流(A)焊接速度(cm/min)热输入(kJ/cm)1263804513.172325007513.203265506014.30通过大量实验发现，在焊接电流大于380A时，要求配以45cm/min以上的焊接速度，这些工艺规范下的焊缝成形并不理想，咬边倾向比较明显，如图2和图3所示。这是因为电弧力随着焊接电流的增大而增强，使熔池容易呈紊流状态，将邻近焊趾的基本金属熔化或冲刷掉，同时由于高焊速的影响，焊缝金属在熔融金属回流充填焊趾之前已经凝固。(a)试验编号1对应的盖面焊道的焊缝成形(b)试验编号2对应的盖面焊道的焊缝成形(c)试验编号3对应的盖面焊道的焊缝成形图2单丝普通埋弧横焊盖面焊焊缝成形(a)试验编号1对应的焊缝剖面图(b)试验编号2对应的焊缝剖面图-3-(c)试验编号3对应的焊缝剖面图图3单丝普通埋弧横焊多层多道焊的焊缝剖面图表2单丝脉冲埋弧横焊盖面焊道工艺参数表试验编号平均电压(V)平均电流(A)焊接速度(cm/min)频率(Hz)占空比(%)热输入(kJ/cm)12644050505013.7322839050505013.10表2给出了单丝脉冲埋弧横焊盖面焊道的工艺参数，主要范围设计为：焊接电流大于380A，焊接速度超过45cm/min。实验发现当焊接电流为440A和390A，焊接速度不小于50cm/min时，脉冲作用下的单丝埋弧横焊盖面焊仍然可以获得比较理想的焊缝成形，如图4和图5所示。(a)试验编号1对应的盖面焊道的焊缝成形(b)试验编号2对应的盖面焊道的焊缝成形图4单丝脉冲埋弧横焊盖面焊的焊缝成形-4-(a)正视焊缝(b)剖视焊缝(c)图(b)局部放大图5单丝脉冲埋弧横焊盖面焊的焊缝取样（表2试验编号2）针对石油储罐的焊接要求及其壁板对接焊缝的焊接工艺，本文借助大量试验，重点比较了石油储罐横焊位置的脉冲埋弧焊试验与普通埋弧横焊盖面焊中的工艺规范参数和焊接结果，可以得到以下结论：对于盖面焊，脉冲埋弧焊可以突破普通埋弧横焊的工艺规范上限，在较大焊接电流和较高焊接速度的条件下，保证良好的焊接质量，有效的消除由于焊速提高而造成的咬边。4结论本文通过构建脉冲埋弧自动横焊试验系统，把脉冲控制器应用在石油储罐的横焊试验中。通过石油储罐横焊位置的脉冲埋弧焊试验与普通埋弧横焊盖面焊中工艺规范参数和焊接结果的对比，验证了脉冲埋弧焊消除咬边的机理和双丝脉冲埋弧打底横焊工艺在防止烧穿和未焊透方面的作用。本文为脉冲埋弧焊储罐焊接生产的工艺参数优化和力学性能研究，特别是在LNG低温储罐的应用研究奠定了基础。-5-参考文献[1]贺贵仁，许鹏鹰，15万m3储油罐的安装工艺，石油化工建设，2006，28(1)：57-59[2]李桓，刘辉，梁秀娟等，利用脉冲技术改善埋弧焊的焊缝成形质量，电焊机，2006，36(4)：7-9[3]周敏惠，於美甫，焊接缺陷与对策，上海：上海科科技术文献出版社1989：203-207[4]天津大学.直流电焊机脉冲控制器[P].中国实用新型专利:03257823.7[5]李桓,崔嘉,牛永等.Researchandengineeringapplicationofthearcweldingpulsedcontrollertechnology[J].ChinaWelding,2005,14(2):90-94[6]P.K.Palani,N.Murugan,Selectionofparametersofpulsedcurrentgasmetalarcwelding,JournalofMaterialsProcessingTechnology,2006,172(1):1-10[7]H.D.Gerlach,Optimizedpressurevesseldesignwithspecialrespecttooperatingconditions,InternationalJournalofPressureVesselsandPiping,1988,31(4):285-293StudyonTransverseWeldingProcesswithPulsedSubmergedArcWeldingTechnologyanditsApplicationinOilTankManufacturingSchoolofMaterialsScienceandEngineering,TianjinUniversity,Tianjin,300072,ChinaAbstractThemoltenpoolintransversepulseSAWwassimplifiedintoaliquidmetalonthesurfaceofsolidmetal,whichreceivespulseloadregularly.Meanwhile,specialattentionwaspaidinbackingprocessoftransversedouble-wirepulseSAWtothedynamicmovementofmoltenpool.Theexperimentprovedthepulsecurrentcanalsodecreasethesituationofburningthroughbasemetal,whichisrathercommonforordinarysinglewiretransverseSAW.Consequently,therangeofprocessingparametersinordinarysinglewiretransverseSAWcanbeincreasedwiththetechnologyofdouble-wirepulseSAW.Keywords:Pulse;SAW;PressureVessel;TransverseWelding;Undercut-6-QuDan,LiHuan,LuQuansen,GaoYing