摘要：分析了影響螺旋埋弧焊管外焊縫形狀的主要因素，這些因素主要是焊接電流、電弧電壓、焊接速度、焊絲偏心距、焊絲傾角及側傾角、焊絲間距、焊絲伸出長度、焊接坡口、成型控制以及焊劑等焊接設備的選擇等，通過對這些因素的合理選擇與控制，從而獲得良好的焊縫成形。最后提出了采用磁控電弧焊及預精焊工藝進一步改善焊縫成形的特殊途徑，以便更好地滿足鋼管防腐對外焊縫形狀的要求。
0 前言隨著大直徑、大壁厚、高材質、長距離高壓油氣管道的快速發(fā)展，對螺旋埋弧焊管理化性能及焊縫形狀提出了更高要求。當母材與焊縫過渡角較小時，焊趾處應力集中，容易發(fā)生疲勞失效。另外，隨著3PE和FBE防腐技術的采用，對螺旋埋弧焊管焊縫形狀同樣提出了更高的要求。如西氣東輸工程等管線為了滿足防腐要求，在補充技術條件中要求外焊縫余高控制在2.5 mm以內，而摩洛哥鋼管技術規(guī)格書中要求外焊縫余高控制在1.5 mm以內。若焊縫外形不規(guī)則，如“魚脊”焊縫，剛涂敷完的鋼管通過壓輥和旋轉輥時，焊縫處的防腐層受壓應力和拉應力比別處更大，從而使防腐層減薄甚至開裂。如果焊縫與母材過渡角太小，在防腐中還會出現(xiàn)焊趾處噴砂清理不凈，涂敷不到位形成空隙，造成防腐層出現(xiàn)密集漏點，從而導致防腐驗收不合格。因此，探討螺旋埋弧焊管外焊縫形狀控制技術，對防止焊趾處應力集中、防腐層開裂、密集漏點、涂層不均勻以及防腐材料的浪費等具有十分重要的意義。
1 影響外焊縫成形的因素及控制
?? 螺旋埋弧焊管標準中規(guī)定，焊縫外形應均勻規(guī)整，與母材過渡平緩。良好的焊縫成形應該是焊縫表面光滑，波紋細致美觀；無咬邊缺陷，無經較大的“麻點”或疵坑；焊縫向母材平緩圓滑過渡（而非“矩形”焊縫）；焊縫寬度均勻規(guī)整（而非“花邊”焊縫）；焊縫余高均勻適中（而非“馬鞍”形或“魚脊”形焊縫），與母材平緩圓滑過渡的外焊縫形狀如圖1所示，圖2為寬度不均勻的“花邊”外焊縫形狀。本研究從焊接工藝參數(shù)、工藝因素、結構因素、焊劑和焊接設備等幾個方面進行分析探討，為獲得良好的焊縫成形提供參考。
1.1焊接工藝參數(shù)對外焊縫形狀的影響及控制
1.1.1焊接電流
???? 在其他條件不變時，增加焊接電流，焊縫熔深和余高都增加，而熔寬則幾乎保持不變（或略有增加），如圖3所示。在螺旋埋弧焊管生產中，通常內焊使用較小的焊接電流，而外焊使用較大的焊接電流。但在較大的焊接電流條件下，熔池的攪拌作用加劇，且焊絲的熔化量也相應增多，得到的焊縫余高增加，焊縫成形惡化，邊緣過渡較差。
??? 在較小焊接電流條件下，熔池的攪拌作用減弱，焊絲的熔化量減少，焊縫余高會降低，焊縫成形得到改善，表面波紋細美，邊緣過渡趨于平緩。但隨著焊接電流的減小，熔透深度隨之減小，又會影響焊縫的內在質量。為解決這一矛盾，可適當增大內焊焊接電流，同時適當降低焊接速度，也可調整外焊前絲傾角。適當增大外焊前絲前傾角（但不宜超過12°），電弧力對熔池金屬后排的作用增強，熔池底部的液體金屬層變薄，熔深增大。這樣，可在較小焊接電流條件下獲得較大熔深，既保證了焊縫的內在質量，又保證了焊縫的外觀質量。
1.1.2焊接電壓
???? 在其他條件不變時，電弧電壓增大，焊縫熔寬顯著增加而熔深和余高將略有減小，如圖4所示。
??? 隨著焊接電壓的增加，電弧長度增加，電弧斑點的移動范圍擴大，熔池變寬，會得到較寬的焊縫成形。因為螺旋埋弧焊管的外焊是在斜坡上進行焊接，熔融狀態(tài)的焊縫金屬在重力作用下會發(fā)生側向流淌?？梢?，焊接電壓越大，熔池越寬，焊縫金屬發(fā)生側向流淌的趨勢就越嚴重，最終導致焊縫金屬偏流。因此，為獲得較好的外焊縫成形，可適當減小外焊前后絲焊接電壓。
1.1.3 焊接速度焊速對熔深和熔寬均有明顯影響，焊速較小時（如單絲埋弧焊焊速小于0.7 m/min時）熔深隨焊速增加略有增加，熔寬減小。但焊速達到一定數(shù)值后，熔深和熔寬都隨焊速增大而明顯減小，如圖5所示。隨著管線鋼不斷向高鋼級、大直徑、大壁厚方向發(fā)展，提高焊速的局限性將隨之增大。阻礙螺旋焊管高速焊的主要原因是焊縫成形的惡化和咬邊等缺陷的產生。但若選擇優(yōu)化的焊接條件，仍可獲得良好的焊縫成形。
??? 采用雙絲（或多絲）埋弧焊是一種既能保證合理的焊縫成形和良好的焊接質量，又可提高焊接速度的有效方法。雙絲埋弧焊的基本原理是：前絲通直流電，采用大電流和低電壓，可使焊速高，熔深大，但焊縫成形不好；后絲通交流電，采用小電流和高電壓，形成一個熔寬大、熔深小的局面，同時利用前后兩個電弧場之間的電磁作用，有利于消除咬邊又防止裂紋，這樣前后絲同時焊接，可達到高速、深熔、成形好、無裂紋和無咬邊的目的。1.2焊接工藝因素對外焊縫形狀的影響及控制
1.2.1焊絲偏心距
??? 螺旋焊縫是沿著不斷形成的螺旋線的運動方向而焊成的，因此在焊縫上未凝固的液體金屬將隨著所處的空間位置的變化而流淌。若要保證獲得良好的焊縫形狀，必須使熔化而流動的液體金屬在傾斜的母材上具有穩(wěn)定的凝固條件。因此，外焊點應在鋼管頂點且逆旋轉方向偏移一段距離，使熔池金屬凝固時接近于水平位置，以獲得較好的焊縫成形。
???? 外焊點偏心距的選用與管徑成正比。管徑愈大，偏移量也應較大；管徑愈小，偏移量也應減小。一般直徑為273~1 020 mm的鋼管，其下坡偏移量可在10~100 mm范圍內取值。下坡偏移量過大，焊縫熔寬增加，熔深減小，易造成未熔合，焊縫呈扁平或中凹的“馬鞍”形，如圖6所示；下坡偏移量過小，熔深增加，焊縫窄而高，易造成咬邊缺陷，焊縫呈中凸的“魚脊”形，如圖7所示。
1.2.2 前后絲傾角及側傾角
??? 在螺旋埋弧焊管生產中，當焊絲在一定的傾角內后傾時，電弧力后排熔池金屬的作用減弱，熔池底部液體金屬增厚，熔深稍有減小，而電弧對熔池前方的母材預熱作用加強，故熔寬增大。從雙絲埋弧焊調整的經驗來看，前絲采用直流前傾，主要是保證焊縫熔深；后絲采用交流后傾，主要是來改善焊縫表面形狀。如圖8所示，α1、α2分別為前絲和后絲與垂直中心線間的夾角。α1在較小范圍內增大時，熔深無明顯變化，熔寬減小，而α1過小時，焊道中間有棱，呈“魚脊”形狀；而α1較大時，對防止氣孔和裂紋不利，易造成未熔合或咬邊，使焊縫成形變壞。α1一般應控制在12°以下，在選擇α1時常常使前絲延伸方向近似通過鋼管中心。α2增大時，焊縫成形無明顯變化。當α2較大時，焊道中間出現(xiàn)凹陷，且焊道兩側有小夾渣等缺陷，α2一般應控制在20°以下。
??? 螺旋埋弧焊管的外焊點位置位于斜坡上，熔融狀態(tài)的焊縫金屬在重力作用下會產生向成型縫自由邊一側側向流淌的現(xiàn)象，容易導致焊縫偏流，選擇合理的側傾角可有效減緩焊縫金屬側向偏流的現(xiàn)象。通常選擇焊絲指向成型縫遞送邊的側傾角為8°~16°。
1.2.3 焊絲間距
??? 雙絲埋弧焊焊絲間距的大小對電弧的穩(wěn)定性及雙弧的熱效應影響較大，并直接影響焊接質量和焊縫成形。間距太小時，往往易在兩絲間產生第3弧，使雙弧熱效應降低，影響熔深；易出現(xiàn)兩絲電流干擾嚴重，破壞正常的穩(wěn)定焊接過程，易產生“粘渣”現(xiàn)象，使焊縫的脫渣性下降；焊縫窄而高。間距太大時，熔池延長，熔深減少，焊縫加寬，焊縫高度減??；前、后絲在一個熔池兩個弧坑中，并在兩個弧坑間由于電弧吹力作用使熔池中形成一個凸起，這個動蕩的凸起對電弧的穩(wěn)定性影響很大，使焊縫外觀成形變差。
??? 焊絲間距的選用與管徑成正比。管徑愈大，焊絲間距可適當加大；管徑愈小，焊絲間距可適當減小。一般焊絲間距常取8~20 mm。焊絲間距初步選定后，可通過觀察焊縫成形情況進一步調整。若焊縫窄而高，可適當增大間距；若焊縫寬而低，可適當減小間距。
1.2.4 焊絲伸出長度
??? 雙絲焊中焊絲伸出長度對焊接質量影響也較大。焊絲伸長量過大，電阻很大，則電阻熱便增加，結果使熔深減小，熔合不良，焊劑堆比高度增加，焊縫凸出量提高。另外，導電嘴熱量增高，易過熱氧化甚至燒紅，縮短導電嘴壽命。焊絲伸長量過小，影響焊劑堆比高度，甚至出現(xiàn)明弧，熔深增加，凸出高度減小，影響焊縫成形。
??? 在螺旋焊管生產中，前絲直徑多用4 mm，后絲直徑多用3 mm。前絲為了保證熔深，采用直流反接，要求大電流、低電壓，因此前絲伸長應盡量選擇短一些，但也不能太短，一般為28~40 mm。后絲采用交流，要求小電流、高電壓，以便加大熔寬，保證良好的焊縫成形，因此后絲伸長量可選擇稍長些。由于后絲直徑一般比前絲細且焊絲間距較小而前后絲又都有傾角，易發(fā)生兩絲接觸和交叉，嚴重破壞焊接過程的穩(wěn)定性，故其伸長量也不宜太長，一般選擇24~36 mm。
1.3 結構因素對外焊縫形狀的影響及控制
1.3.1 焊接坡口
??? 生產大壁厚螺旋埋弧焊管時，為保證內外焊道的熔深、減小焊縫余高以及焊縫力學性能滿足標準要求，一般均采取鋼板邊緣開Y形或X形坡口后進行埋弧焊接。選擇合理的焊接坡口形式是提高螺旋埋弧焊鋼管焊接質量的關鍵。坡口形式的選擇，可參照GB/T 985.2—2008《埋弧焊的推薦坡口》給出的推薦坡口形式。在其他條件相同時，隨著坡口角度的增加，焊縫高度和熔合比明顯降低，熔深明顯增加，焊縫寬度略有增加，焊縫與母材的過渡角也明顯增加。除坡口角度外，要獲得良好的焊縫成形，坡口深度和鈍邊量控制也很重要，不容忽視。
1.3.2 成型
??? 螺旋埋弧焊管生產中，成型和焊接是同步進行的，因此焊接質量的好壞與成型的穩(wěn)定性密不可分。成型縫時緊時松、“噘嘴”、內緊外松、內松外緊、螺距竄動、局部錯邊，板邊擠厚、切口不齊、波浪、毛刺以及坡口不規(guī)則等均會導致焊縫成形不良和咬邊、燒塌、氣孔、夾渣等缺陷的產生。因此，發(fā)現(xiàn)成型不穩(wěn)時必須及時調整。
1.4焊劑對外焊縫形狀的影響及控制螺旋埋弧焊管焊縫成形質量與焊劑化學成分、黏度、堆積密度、顆粒度和堆積高度等因素密切相關。
1.4.1化學成分和黏度焊劑成分對焊縫成形有很大影響。盡管各焊劑廠家生產的焊劑均符合GB/T 5293—1999標準的要求，但由于其配方不同，其冶金性能和工藝性能等也不盡相同。在選擇使用時，我們可以通過觀察、試驗、分析和比較，選用最佳者。所選用的焊劑應確保具有良好的冶金性能和工藝性能，電弧燃燒穩(wěn)定，熔渣具有適宜的熔點、黏度和表面張力，且焊縫成形良好，脫渣容易以及產生的有毒氣體要少。
??? 一般認為焊劑黏度小，改善了熔渣的流動性使焊縫成形良好。高黏度焊劑所得焊縫沒有波紋，但成形不良。使用熔點特別低的焊劑時，焊劑熔化量較多，焊接熔池表面壓力較大，造成氣體析出困難，氣體集中在熔渣下面，使焊縫成形也不穩(wěn)定。為獲得良好的焊縫成形，電弧腔周圍的熔渣厚度要合適，隨溫度變化的黏度要適中。試驗證明，表面成形良好的焊劑在1 400℃時黏度在2 dPa·s為佳。
1.4.2 堆積密度和顆粒度
??? 采用堆積密度較小的焊劑所得的焊縫低而寬，熔深較淺，從焊縫邊緣到基本金屬表面有較均勻的平緩過渡。采用堆積密度小的焊劑時，由于透氣性較大，其弧腔中蒸氣壓比用堆積密度大的焊劑要小，所得焊縫要寬，熔深小。當蒸氣壓增高時對焊接熔池加熱強烈，焊劑的分解和蒸發(fā)消耗熱能較大，造成電弧腔壓加大，電弧長度減小，所以采用堆積密度大的焊劑時所得焊縫較窄，熔深大，焊縫凸起，外觀不佳。
??? 在每一種情況下，顆粒度較小的焊劑顯示較小的堆積密度。值得注意的是，焊劑顆粒度應均勻，否則使堆積密度增加，把顆粒間的空隙填死，堵住氣體排出的通道，使焊縫表面產生“麻點”的機會增加。在大線能量焊接時，采用細顆粒焊劑比粗顆粒焊劑好。采用細顆粒焊劑，由于具有較小的堆積密度，說明焊劑顆粒間空隙較多其透氣性較好，有利于氣體的排出，可改善電弧空腔的穩(wěn)定性，使焊縫表面成形良好，有助于減少焊縫表面“麻點”。
1.4.3 堆放高度
??? 焊劑堆放高度與焊接熔池表面的壓力成正比。焊劑堆放得愈高，處在金屬與熔渣界面上的氣泡受上部焊劑施加的壓力愈大，氣泡愈不易跑出去，相對應的氣泡內部壓力增加，對液態(tài)金屬表面的壓力增大，留下的氣泡壓痕愈深。因此，在保證不明弧的條件下應盡量降低焊劑堆放高度，或采用堆積密度較小的浮石狀焊劑以減輕焊劑對氣泡的壓力，以消除或減少“麻點”。一般焊速下堆放高度為25 mm左右，在高速焊接時焊劑堆放高度更應降低。這樣，可獲得表面光滑、波紋均勻細致的焊縫，且脫渣性好。1.5焊接設備對外焊縫形狀的影響及控制
1.5.1焊機與控制系統(tǒng)的匹配
??? 電弧的穩(wěn)定燃燒是保證滿意的焊縫成形和內在質量的關鍵。電弧的穩(wěn)定燃燒是由焊絲的送給速度和焊絲的熔化速度來決定的，當二者速度一致時電弧就穩(wěn)定燃燒。在實際焊接生產過程中，弧長的變化及電網電壓的波動等在所難免，這就需要選擇合適的電弧控制方式，才能保證焊接電弧不受外界的影響而又能穩(wěn)定燃燒。焊接電弧的控制有三種方式：一是電弧自身調節(jié)系統(tǒng)（常稱焊絲等速送絲系統(tǒng)），二是電弧固有的調節(jié)系統(tǒng)，三是電弧電壓自動調節(jié)系統(tǒng)。控制焊絲的送給速度常有均勻送給和等電弧電壓送給兩種方式，并與焊接電源的外特性曲線和電弧的靜特性曲線有關。林肯焊接設備具有電源和控制系統(tǒng)穩(wěn)定、特性好、故障率低、壽命長等優(yōu)點，因此目前國內大型管廠大都采用林肯焊機。林肯直流焊機DC-1500匹配NA-5或NA-3S控制系統(tǒng)。
??? 林肯交流焊機AC-1200匹配NA-4控制系統(tǒng)。DC-1500有三種工作方式：一是CV INNERSHIELD（恒壓保護焊），二是CV SUBMERGED（恒壓埋弧焊），三是VV SUBMERGED（下降特性埋弧焊）。NA-3S控制系統(tǒng)有CC（恒流）和CV恒壓）兩種控制方式。由于鋼管焊接常規(guī)內焊電流在600~1 000 A，外焊電流在800~1 200 A，焊接電流密度很大，遠遠超過50 A/mm2的特點，因此采用焊絲等速送給來維持電弧穩(wěn)定燃燒是可以的，電源外特性曲線可采用陡降的或恒流外特性曲線均可得到電弧穩(wěn)定燃燒，即DC-1500工作方式應選擇VV，而與之匹配的控制系統(tǒng)NA-3S應選擇CC控制方式。當鋼管壁厚較薄，焊接電流小于400 A（焊接電流密度小于50 A/mm2）時，采用焊接電壓恒壓控制，則電源外特性曲線采用緩降型較好，即DC-1500工作方式應選擇CV SUBMERGED，而與之匹配的控制系統(tǒng)NA-3S應選擇CV控制方式。
1.5.2焊機容量
??? DC-1500焊機常規(guī)使用最大焊接電流在1200A左右，AC-1200焊機常規(guī)使用最大焊接電流在800 A左右，焊接電流過大，焊機的穩(wěn)定性變差且容易損壞。但近年來隨著螺旋焊管向大壁厚、大直徑方向發(fā)展，以及焊接技術的進步和焊速的不斷提高，相應的焊接參數(shù)不斷變大，采用單臺林肯焊機生產時，焊機的故障率明顯增高，穩(wěn)定性變差。當DC-1500焊機焊接電流超過1 300 A時，焊機實際的輸出電流比操作箱上設定的電流值小，焊接參數(shù)達不到規(guī)范要求，因而產生未焊透、連續(xù)氣孔、咬邊、焊道不規(guī)則等，焊接缺陷明顯增多。為解決這一問題，可采用兩臺DC-1500焊機并聯(lián)的方法。焊機并聯(lián)技術的應用，可大大增加焊機的可靠性，以確保焊接質量的提高和良好的焊縫成形。
1.5.3焊接設備故障
??? 鋼管正常焊接過程中，在其他各工藝條件不變的情況下，有時焊縫成形突然惡化，這很可能是由于焊接設備某零部件出現(xiàn)了故障而引起的。比如，DC-1500焊機6只可控硅中有1只損壞，而另外5只仍能正常工作，這時雖然能焊接但輸出不穩(wěn)定，焊接質量變差。狀態(tài)開關位置不正確、電源輸入缺相或接觸不良、可控硅觸發(fā)不可靠、送絲系統(tǒng)故障、反饋電路故障等均會導致類似情況的發(fā)生。因此，確切診斷并及時排除焊接設備故障同樣也是確保焊接質量及焊縫成形的重要因素。
1.5.4其他須注意的問題
???? 應用雙絲焊時，跟蹤軌道（軸向微調軌道）應與鋼管的軸向一致，這樣，在調節(jié)跟蹤（軸向微調）時，不會影響偏心距，否則將影響焊縫成形。偏心距調節(jié)機構的導向桿應與鋼管螺旋線方向一致，這樣在調整偏心距時可使焊絲不偏離焊道，從而保證正確的焊點位置而不影響焊縫成形。指示燈、前絲、后絲必須對正，以防止焊偏、未焊透、雙焊道、焊縫成形不良等缺陷的產生。
2 獲得良好焊縫成形的特殊途徑
2.1 采用磁控電弧焊
?? ?電弧焊所形成的熔池是帶電流體，當在熔池附近引入一個外加磁場時，熔池液體金屬將產生一個附加的電磁作用力。熔池中各點電流場分布是很復雜的，外加磁場在熔池中的分布也是變化的，因此熔池中各點產生這一附加的磁場攪拌是肯定的，這種攪拌作用將取決于外加磁場的方式、強度及焊接電流的大小。橫向磁場及縱向磁場將對焊接熔池產生一個垂直向上的作用及相應的攪拌運動，同軸磁場將使熔池做不規(guī)則的圓周運動，改變磁場頻率及強度，將使這種運動得到調節(jié)。采用合理的磁場形式、頻率及強度，將有助于改善焊縫成形，包括消除咬邊、氣孔、熱裂紋，使熔深和反面成形極為均勻。
2.2 采用預精焊工藝
??? 預精焊生產工藝也稱兩步法生產工藝，它主要由預焊和精焊兩部分組成。其主要含義是：在制造螺旋埋弧焊管時，將鋼板成型后先用氣體保護焊進行預焊（定位焊），然后再將成型后的管坯在專門的焊接工作臺（精焊工作站）上進行埋弧焊接，從而使成型過程和焊接過程得以分別獨立進行。這一工藝有效解決了成型和焊接之間的相互干擾問題，充分利用成型和焊接的各自特點，實現(xiàn)高速成型和低速焊接的有機結合，使生產率大幅提高，殘余應力得到有效控制，同時螺旋埋弧焊管固有的缺陷得到根本性改善，焊縫外觀質量更趨于美觀易控。
3 結語
??? 影響螺旋埋弧焊管外焊縫形狀的因素是多方面的，因此在生產實際中，必須綜合考慮各個因素，合理選擇與控制各個參數(shù)，必要時可采取特殊途徑。良好的焊縫成形，不僅可以防止焊趾處的應力集中，降低防腐成本，確保防腐質量，而且還可以贏得客戶口碑，提高企業(yè)聲譽，為企業(yè)創(chuàng)造更大的社會與經濟效益，因此不容忽視。?????????????????????????????????????????????
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