埋弧自動焊在管道預(yù)制中的應(yīng)用

埋弧自動焊在管道預(yù)制中的應(yīng)用摘要：埋弧焊具有抗風(fēng)能力強、熔深大、焊接效率高的特點，應(yīng)用到石油化工裝置管道預(yù)制焊接施工中，有很好的經(jīng)濟(jì)效益。埋弧焊工藝成熟，可焊接的材料多，焊材、焊劑生產(chǎn)廠家多，焊接質(zhì)量穩(wěn)定。埋弧焊可以在露天操作，不受場地限制，特別適合野外管道自動化預(yù)制。關(guān)鍵詞：管道自動焊；埋弧焊；操作要領(lǐng)埋弧自動焊是應(yīng)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(jīng)改進(jìn)后，配置管道驅(qū)動機(jī)可實現(xiàn)管道環(huán)縫自動焊。在管道預(yù)制采用埋弧焊時，存在焊渣清理困難的現(xiàn)象，經(jīng)實踐摸索發(fā)現(xiàn)，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(diào)整不當(dāng)，造成焊接參數(shù)不匹配，最終導(dǎo)致清渣困難和產(chǎn)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(chuàng)煤化工項目管道預(yù)制中埋弧焊實際應(yīng)用，闡述埋弧焊的冶金特點、焊接工藝參數(shù)對焊縫質(zhì)量的影響和焊接要領(lǐng)，防止缺陷產(chǎn)生。1埋弧焊的優(yōu)缺點分析1.1埋弧焊相對于其他焊接方法的優(yōu)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(xué)性能優(yōu)良、致密性高的優(yōu)質(zhì)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(chǎn)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(xiàn)自動化焊接，焊接參數(shù)調(diào)整范圍廣，生產(chǎn)效率高。7）埋弧焊對風(fēng)不敏感，因此最適合野外管道預(yù)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(shè)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(yán)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(xiàn)在石油化工裝置中管道材質(zhì)。埋弧焊時，必須根據(jù)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(jīng)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(jù)熔敷金屬所需的力學(xué)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(xué)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(yīng)根據(jù)母材類型、焊道數(shù)量等選擇焊劑制造商推薦的焊絲-焊劑組合。對于關(guān)鍵或重要的焊縫，應(yīng)進(jìn)行必要的工藝試驗來驗證所用的工藝是否能滿足設(shè)計工藝要求。按照冶金反應(yīng)，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(xué)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(yīng)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(shù)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(shù)分主要參數(shù)和次要參數(shù)。主要參數(shù)是指對那些直接影響焊接質(zhì)量和效率的參數(shù)，包括焊接電流、電壓、速度、電流種類、極性和預(yù)熱溫度；次要參數(shù)是指對焊縫質(zhì)量產(chǎn)生有限影響的參數(shù)，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(zhì)，焊絲和焊劑的選型匹配需要通過焊材生產(chǎn)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(dá)到工藝要求。焊接工藝參數(shù)從兩方面影響焊縫質(zhì)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(shù)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(shù)合理的匹配，才能焊出高質(zhì)量的焊縫。因此，操作者主要是調(diào)整焊接參數(shù)、控制焊縫成形。操作者要熟練掌握焊接工藝參數(shù)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(shù)。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(wěn)定，產(chǎn)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(shù)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(chǎn)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(cè)熔合不好。另外，電弧電壓過大會導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生裂紋，原因是當(dāng)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(chǎn)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(chǎn)生未熔合和氣孔。焊接速度過大，會造成焊道兩側(cè)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(chǎn)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(zhuǎn)，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(qū)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(zhuǎn)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(guān)外，還與焊接速度有關(guān)，焊接速度越大，偏移量越大。見圖1、表1。另外，坡口角度過小，如因為打底層焊接時用砂輪機(jī)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(cè)冷卻速度快，導(dǎo)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(shù)決定。焊劑粒度和堆高對焊縫成形有一定影響。焊劑粒度應(yīng)根據(jù)焊接電流選擇，細(xì)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(xì)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(hù)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(xiàn)閃光和燃燒不穩(wěn)定，導(dǎo)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(xiàn)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(fù)極產(chǎn)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(fù)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(dǎo)入焊絲點到焊絲端點之間的距離，也稱作焊絲導(dǎo)電長度。通常情況下，導(dǎo)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(chǎn)生扁平的焊縫，后傾焊產(chǎn)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(zhǔn)備焊前準(zhǔn)備主要有焊接參數(shù)預(yù)調(diào)、焊劑準(zhǔn)備、焊接回路檢查、滾輪架聯(lián)動等。4.1焊接參數(shù)預(yù)調(diào)：根據(jù)管徑大小和壁厚預(yù)先將焊接參數(shù)進(jìn)行粗調(diào)整，焊接電流、電弧電壓和焊接速度根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)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(zhǔn)備：將烘烤過的焊劑填裝在焊劑下料斗中，并根據(jù)焊口大小預(yù)備適當(dāng)?shù)暮竸?，?zhǔn)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(chǎn)生氣孔，特別是不銹鋼焊劑，吸潮厲害，應(yīng)根據(jù)環(huán)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(jī)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(lián)動：焊前要檢查滾輪架的啟停和速度是否可調(diào)。發(fā)現(xiàn)問題要及時解決。如果滾輪架聯(lián)動出現(xiàn)問題，焊接無法進(jìn)行。5管道埋弧自動焊的操作要領(lǐng)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(yōu)質(zhì)焊縫的前提。三者匹配合理，焊道光滑，焊渣便于清理，并能夠?qū)⒋虻讓映霈F(xiàn)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(xiàn)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(xué)會“看”和“聽”來判斷參數(shù)大小、熔深、熔池反應(yīng)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(nèi)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(jìn)一步判斷出參數(shù)的大小。熔池頭部為圓形，尾部呈現(xiàn)橢圓形或箭頭形，當(dāng)尾部呈現(xiàn)橢圓形或圓形時（見圖2中1、2），說明焊接參數(shù)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(zhuǎn)穩(wěn)定，是最好的埋弧焊焊縫成形（見圖2中5、6）當(dāng)尾部呈現(xiàn)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(zhì)量好的焊縫表面，碳鋼焊縫反映出油光光的青藍(lán)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(zhì)量不好的焊縫表面焊紋不均勻、有凹坑、斑點，焊道兩側(cè)與母材熔合不好，焊道邊緣有殘留熔渣。焊接參數(shù)合理，焊劑烘烤得當(dāng)，不銹鋼焊縫表明為銀白色，熱影響區(qū)呈現(xiàn)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(xiàn)深黃色，冷卻后的焊道出現(xiàn)青灰色氧化并有少量氧化膜脫落，表明熔深達(dá)到或超過焊層厚度的1/2；底層焊道呈現(xiàn)淡黃色，中心出現(xiàn)白色，熔深達(dá)到焊層厚度的70%；底層焊道呈現(xiàn)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(dá)到80%，當(dāng)焊接速度產(chǎn)生波動或由于管子橢圓造成焊槍距離變動而調(diào)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(xiàn)不同程度的閃光現(xiàn)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(xiàn)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(zhì)量。5.2聽焊接過程中，電弧燃燒、熔滴過渡、氣泡起浮均能發(fā)出一定節(jié)奏的聲音，通過聽聲音，可以判斷出電弧燃燒是否穩(wěn)定，熔滴過渡是否均勻，熔池中化學(xué)反應(yīng)是否正常。5.2.1焊接過程中聲音協(xié)調(diào)一致，發(fā)出均勻的“咂砸”聲，則表明參數(shù)穩(wěn)定協(xié)調(diào)，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(xué)反應(yīng)強烈，原因是焊道或焊劑中污物多，產(chǎn)生大量氣體溢出，此時可以盡可能的增大參數(shù)使污物燒掉。5.2.3聽到“噗噗”聲說明焊接參數(shù)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(xué)反應(yīng)過度，產(chǎn)生過量氣體，有時焊縫表面會出現(xiàn)單個連續(xù)氣孔。產(chǎn)生原因：一、焊劑嚴(yán)重受潮；二、電壓過大，焊劑熔化量增大進(jìn)而使熔池中反應(yīng)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(shù)埋弧焊參數(shù)與坡口角度、對口間隙、打底厚度有關(guān)，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(dāng)降低電壓，減少熔寬；第二道時適當(dāng)增加電壓，提高熔寬，焊道整體觀感好。厚壁管道填