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埋弧自动焊的介绍和应用分析

2019年01月21日

埋弧自动焊是应用最早的自动焊方法之一,最初用在大型管道的纵缝焊接。经改进后,配置管道驱动机可实现管道环缝自动焊。在管道预制采用埋弧焊时,存在焊渣清理困难的现象,经实践摸索发现,焊渣清理困难主要原因是坡口角度、焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊接位置调整不当,造成焊接参数不匹配,最终导致清渣困难和产生未熔合、夹渣等缺陷。本文通过大连逸盛PTA工程改造项目,宁波中金石化、嘉兴三江石化和鄂尔多斯中天合创煤化工项目管道预制中埋弧焊实际应用,阐述埋弧焊的冶金特点、焊接工艺参数对焊缝质量的影响和焊接要领,防止缺陷产生。


1、埋弧焊的优缺点分析


1。1 埋弧焊相对于其他焊接方法的优点:1)能够以高的焊接速度和熔敷效率完成大厚件的对接、角接和搭接焊缝。2)埋弧焊剂具有脱氧还原和向焊缝中渗合金作用,可以得到力学性能优良、致密性高的优质焊缝金属。3)埋弧焊过程中没有飞溅,熔敷效率高,焊缝表面光滑整洁。4)焊接过程中没有弧光,焊工劳动条件好。5)焊接过程中产生很少的烟尘。6)埋弧焊可以采用大的焊接电流、电压和焊接速度,容易实现自动化焊接,焊接参数调整范围广,生产效率高。7)埋弧焊对风不敏感,因此最适合野外管道预制。

1。2 埋弧焊的缺点:1)埋弧焊只适合平焊和横焊位置焊接。2)设备占地面积大,一次性投入高。3)由于看不到焊丝和熔池,焊工不容易判断焊道位置和宽度,最后一道焊道不容易焊出理想焊道。4)对需要严格控制热输入的材料的焊接,要采取必要的降温措施。


2、埋弧焊的适用范围和焊丝、焊剂的选配


目前埋弧焊可以完成所有牌号的低合金钢、部分中碳钢,各种低合金高强钢、耐热钢、低温钢和不锈钢以及高合金耐热钢焊接,基本覆盖现在石油化工装置中管道材质。


埋弧焊时,必须根据母材的成分和性能正确地选配焊剂和焊丝,不同制造商的焊剂是没有互换性的,在未经实验验证的前提下,不不得将所使用的焊剂改为其他制造商的焊剂。


一般根据熔敷金属所需的力学性能来选择焊剂,焊丝与焊剂相匹配,以保证所需的焊缝力学性能。焊剂制造商会给出适用于各种钢材的焊剂和焊丝组合,焊接时应根据母材类型、焊道数量等选择焊剂制造商推荐的焊丝-焊剂组合。对于关键或重要的焊缝,应进行必要的工艺试验来验证所用的工艺是否能满足设计工艺要求。


按照冶金反应,焊剂分中性焊剂、活性焊剂和合金焊剂三种。焊剂通过一定方式向焊缝中过渡合金元素,有时焊丝也会向焊缝中过渡合金元素或脱氧元素。


中性焊剂不会明显改变焊缝金属的化学成分, 通常用于多道焊;活性焊剂中含有少量的氧化锰或氧化硅,通过冶金反应向焊缝中少量过渡锰和硅,有利于避免气孔和裂纹。这类焊剂通常用于单道焊;合金焊剂是在中性焊剂和活性焊剂中添加合金元素制成,可与普通碳钢焊丝配合使用焊接合金钢焊缝,也可以焊接特定母材的焊缝。


3、埋弧焊工艺参数


影响焊缝尺寸的主要因素是热输入。影响热输入的主要因素是焊接电流、电弧电压和焊接速度。焊接电流的影响最大,焊接电流直接影响熔深。


埋弧焊的参数分主要参数和次要参数。


主要参数是指对那些直接影响焊接质量和效率的参数,包括焊接电流、电压、速度、电流种类、极性和预热温度;


次要参数是指对焊缝质量产生有限影响的参数,包括焊丝干伸长度、焊丝倾角、焊接位置、焊剂粒度等。


对于特殊材质,焊丝和焊剂的选型匹配需要通过焊材生产厂家和焊接实验室完成焊接工艺评定,确定焊丝和焊剂组合能达到工艺要求。


焊接工艺参数从两方面影响焊缝质量。一方面,焊接电流、电弧电压和焊接速度三者合成的焊接线能量影响焊缝的强度和韧性;另一方面,这些参数影响焊缝成形,影响到焊缝的抗裂性,气孔和夹渣的敏感性。只有这些参数合理的匹配,才能焊出高质量的焊缝。因此,操作者主要是调整焊接参数、控制焊缝成形。操作者要熟练掌握焊接工艺参数对焊缝成形的影响。


3.1 焊接电流


焊接电流是决定焊丝熔化速度、熔深、母材熔化量的重要参数。焊接电流对熔深影响最大,焊接电流增大,提高填充速度和增加熔深。焊接电流过大易击穿;焊接电流过小,会造成焊接过程不稳定,产生未熔合、夹渣等焊接缺陷。


3.2 电弧电压


电弧电压与弧长成正比,在其他参数不变的前提下,电弧电压增大,提高电弧高度,熔宽增大,焊剂消耗量增加,焊缝余高降低。电弧电压过大会形成浅而宽的焊缝,容易产生未熔合、咬边等焊接缺陷,焊缝不饱满;电弧电压过低,会形成高而窄的焊缝,焊道两侧熔合不好。另外,电弧电压过大会导致焊缝产生裂纹,原因是当电弧电压过大时,焊剂熔化量增多,过量的脱氧元素过渡到焊缝中,降低焊缝的塑性。因此,焊接时必须采用焊剂制造商推荐的电弧电压。


低的电弧电压可以提高电弧的刚性,增加电弧熔透性,在深坡口底层焊时最有利。过低的电弧电压会形成凸起的焊道,使熔宽降低,容易产生未熔合,焊渣不易清除。


3。3 焊接速度


焊接速度决定焊接线能量,在其他条件不变的前提下,提高焊接速度,能够减小热输入和填充量。焊接速度增大,焊缝余高降低,熔深变浅,易产生未熔合和气孔。焊接速度过大,会造成焊道两侧熔合不好,甚至造成层间未熔合。焊接速度过小,会造成击穿。


如果焊接速度过慢,电弧和焊丝在熔池上方停留时间长,焊缝成形变差,并产生飞溅,电弧会穿过焊剂层造成闪光。


3.4 焊接位置


管道埋弧自动焊的焊接位置为平焊位,由于管子在不断的旋转,熔化的焊剂和熔池金属由于离心力的作用而有离开电弧燃烧区的倾向,因此管道自动焊时,焊丝的位置要有一段偏移量,使熔池旋转到中心位置时正好凝固。 偏移量过大,会形成熔深浅,表面下凹的焊道;偏移量过小,则会形成深而窄的焊道,焊道中间凸起,焊缝成形不良,并容易造成击穿。偏移量除了与管子直径有关外,还与焊接速度有关,焊接速度越大,偏移量越大。见图1、表1。






3。5 坡口角度


管道埋弧自动焊,坡口角度的影响主要表现在第一、二层焊接,如果此处的坡口角度太小,电弧不能达到打底层处,会造成电弧在坡口内燃烧,打底层熔化不好,形成层间未熔合;如果坡口角度过大,熔池周围的导热性降低,容易造成击穿。理想的坡口角度是单侧30°坡口,≥25°。另外,两侧坡口角度不一样也会影响焊接质量,坡口角度小的一侧导热性高于坡口角度大的一侧,导致两侧温度不一样,电弧有向温度高的方向偏移的倾向,因此容易产生侧壁未熔合。遇到这种情况,可以将焊枪偏向小角度一侧坡口,使这一侧坡口得到更多的热量,弥补散热损失,从而得到均匀的焊缝。


另外,坡口角度过小,如因为打底层焊接时用砂轮机开缝,损伤原始坡口,形成近似的I型坡口,这时采用埋弧焊焊接第一层时,由于母材两侧冷却速度快,导致焊缝中气孔没有时间溢出,在埋弧焊第一层形成小的针状气孔。


3.6 焊剂粒度和堆高


焊剂的粒度由过筛的目数决定。焊剂粒度和堆高对焊缝成形有一定影响。


焊剂粒度应根据焊接电流选择,细颗粒焊剂适合大电流焊接,能够得到大熔深和宽而平的焊道;粗颗粒焊剂适合小电流焊接。如果在小电流下使用细颗粒焊剂,由于焊剂层密封性好,气体不易溢出,会在焊缝表面留下斑点;如果在大电流下使用粗颗粒焊剂,由于焊剂保护效果不好,会在焊缝表面形成凹坑或粗糙的波纹。


焊剂层堆高过大或过小都会在焊缝表面形成凹坑、斑点和气孔。焊剂堆高过小,电弧不能完全埋住,会出现闪光和燃烧不稳定,导致热量不集中而降低熔深;焊剂堆高过大,焊缝受到熔渣壳的约束,会影响到焊缝的表面成形。焊剂堆高以不出现闪光,气体能够均匀的从周围溢出为宜。


3。7 电流种类和极性


弧焊选择直流电源。极性一般选择反极性接法,原因是电弧在负极产生的热量高,可以提高电弧熔透性。如果采用直流正极性接法,焊丝为负极,能够得到做大的熔覆率。交流埋弧焊的熔覆率介于直流正反两种接法的中间。


3。8 干伸长度


干伸长度是指电流导入焊丝点到焊丝端点之间的距离,也称作焊丝导电长度。通常情况下,导电嘴到工件的距离在25~40mm之间。干伸长度增加,会提高熔敷效率,但降低了熔透性。


3.9 焊丝倾角


焊丝与焊件之间的角度称作焊丝倾角。焊丝指向熔池前方,称作前倾;焊丝指向熔池后方,称作后倾。焊丝倾角对焊缝成形有影响,前倾焊产生扁平的焊缝,后倾焊产生驼峰状焊缝,焊接时,焊枪一般选择垂直工件。


4、管道埋弧焊焊前准备


焊前准备主要有焊接参数预调、焊剂准备、焊接回路检查、滚轮架联动等。


4.1 焊接参数预调:根据管径大小和壁厚预先将焊接参数进行粗调整,焊接电流、电弧电压和焊接速度根据经验进行粗匹配,电流不能过大,速度不能过小,主要防止烧穿和未熔合。


4.2 焊剂准备:将烘烤过的焊剂填装在焊剂下料斗中,并根据焊口大小预备适当的焊剂,准备随时添加。焊剂不能一次从烘干箱中拿出来太多,防止焊剂吸潮后产生气孔,特别是不锈钢焊剂,吸潮厉害,应根据环境湿度和温度考虑一次拿出多少为宜。


4.3 焊接回路检查:主要检查焊丝剩余量和焊机地线接触是否良好,保证一道焊口能够顺利的焊接完毕。


4。4 滚轮架联动:焊前要检查滚轮架的启停和速度是否可调。发现问题要及时解决。如果滚轮架联动出现问题,焊接无法进行。


5、管道埋弧自动焊的操作要领


管道埋弧自动焊时,焊接电流、焊接电压和焊接速度的合理匹配是保证获得优质焊缝的前提。三者匹配合理,焊道光滑,焊渣便于清理,并能够将打底层出现表面咬边、轻微未熔合熔出来,并防止将打底层击穿。如果匹配不合理,会出现击穿、层间未熔合、夹渣等焊接缺陷。


焊接操作过程中,焊工要学会“看”和“听”来判断参数大小、熔深、熔池反应和电弧燃烧。


5。1 看


包括焊剂层堆高、焊道表面、热焊背面颜色、焊枪位置、闪光等5项内容。


5.1.1 焊剂层堆高:参看5.6中描述。


5.1.2 焊道表面:包括焊缝的焊纹和焊缝颜色两部分。


(1)焊纹:焊道表面的纹理可以反映出熔池的形状,进一步判断出参数的大小。熔池头部为圆形,尾部呈现椭圆形或箭头形,当尾部呈现椭圆形或圆形时(见图2中1、2),说明焊接参数大小匹配合理;焊缝表面光滑,看不出焊纹,说明焊接速度、电流、电压和管子旋转稳定,是最好的埋弧焊焊缝成形(见图2中5、6) 当尾部呈现箭头状时,说明焊接速度过大、焊接位置靠后或焊接电流过大(见图2中7)。


(2)焊缝颜色:质量好的焊缝表面,碳钢焊缝反映出油光光的青蓝色,表面光滑美观,焊道洁净直畅,焊缝与母材熔合、过渡良好,渣壳能够自然翘起并脱落;不锈钢焊缝表面呈银白色、金黄色(见图2中8)。


质量不好的焊缝表面焊纹不均匀、有凹坑、斑点,焊道两侧与母材熔合不好,焊道边缘有残留熔渣。


焊接参数合理,焊剂烘烤得当,不锈钢焊缝表明为银白色,热影响区呈现黄色或深黄色。




5.1.3 热焊背面颜色 通常打底层焊道背面出现深黄色,冷却后的焊道出现青灰色氧化并有少量氧化膜脱落,表明熔深达到或超过焊层厚度的1/2;底层焊道呈现淡黄色,中心出现白色,熔深达到焊层厚度的70%;底层焊道呈现白色,背面氧化膜成块脱落并伴随局部熔化痕迹,此时的熔深达到80%,当焊接速度产生波动或由于管子椭圆造成焊枪距离变动而调整焊枪高度时,容易将焊道击穿。


5。1。4 焊枪位置 参看3。4中描述。


5.1.5 闪光 在焊接过程中,会出现不同程度的闪光现象,主要是焊剂层厚度不够,不能完全埋住电弧所致。但是,有少许闪光出现可以帮助判断电弧燃烧的位置,防止烧偏。少许的闪光不会影响焊接质量。


5.2 听 


焊接过程中,电弧燃烧、熔滴过渡、气泡起浮均能发出一定节奏的声音,通过听声音,可以判断出电弧燃烧是否稳定,熔滴过渡是否均匀,熔池中化学反应是否正常。


5.2.1 焊接过程中声音协调一致,发出均匀的“咂砸”声,则表明参数稳定协调,焊缝成形好。


5.2.2 焊接过程中“咂砸”声伴随有不定时的杂音,则表明熔池化学反应强烈,原因是焊道或焊剂中污物多,产生大量气体溢出,此时可以尽可能的增大参数使污物烧掉。


5.2.3 听到“噗噗”声说明焊接参数太大,焊缝击穿。


5.2.4 过程中听到异常爆裂声,熔池表面熔渣起伏不定,电压和电流波动大,表明熔池化学反应过度,产生过量气体,有时焊缝表面会出现单个连续气孔。


产生原因:一、焊剂严重受潮;二、电压过大,焊剂熔化量增大进而使熔池中反应气体增多;三、焊道表面或焊丝被油、锈污染。


6、管道埋弧焊工艺参数


埋弧焊参数与坡口角度、对口间隙、打底厚度有关,比如坡口角度小,相对来讲打底厚,埋弧焊时层次少。


大管径焊口错口量大,在埋弧焊盖面时,一道盖面不如分两道盖面外观好。因此需要增加层次。多道盖面时,第一道适当降低电压,减少熔宽;第二道时适当增加电压,提高熔宽,焊道整体观感好。


厚壁管道填充焊时,第三层以后可以尽量加大电流并提高速度。加大电流是为了增加焊丝熔敷速度,提高速度是为了防止电流大击穿焊道,从而整体提高焊接速度。


不锈钢导热性差,焊接参数较碳素钢小。埋弧焊不锈钢时,焊剂保护好,焊剂熔化后增加了焊接润湿性,焊道两侧熔合较好。但是由于不锈钢导热性差,不可盲目增加电流和速度来提高整体焊接速度,否则容易产生层间未熔合。埋弧焊工艺参数见表2。





经过实践摸索,焊工已熟练掌握管道埋弧自动焊碳钢、不锈钢的操作要领,经射线检测,共累计探伤片2723张,埋弧焊的合格率为99.6%, 取得了很好的经济效益。

德州乐瀚焊材有限公司主要生产经营高强碳钢焊丝、二氧化碳气体保护焊丝、埋弧焊丝、氩弧焊丝、不锈钢焊丝等焊材产品,乐瀚”焊材是国内第一家引入丰田管理的焊材企业,“持续改善、以质取胜”的经营方式,在焊材行业立于领航地位。

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