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[论文]管道全位置焊接打底焊工艺研究

2014年02月12日 文档, 焊接自动化 ⁄ 转载:原文链接 ⁄ 共 3865字 ⁄ 字号 暂无评论 ⁄ 阅读 1,301 次

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摘 要:从单焊道全位置区段、送丝行为、焊接弧长(电压)、电流行为分析、 工艺试验和接头检验等几方面介绍管道全位置打底焊工艺特点,其研究成果对全位置焊接机的制造和调试具有普遍指导意义。

关键词:区段分析 送丝行为  焊接弧长 工艺试验

Abstract:Backing weld procedure technique of all-position narrow gap and thick-walled pipe welding is developed about all-position single-pass welding section analysis,wire feeding behavior , weld arc length , welding current analysis,procedure and joint test.The achievement has general guide meaning to producing and testing all-position welder.

Key words:section analysis,wire feeding behavior , weld arc length , procedure test.

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在厚壁管全位置焊接过程中,打底焊技术是保证焊接质量的关键。我们通过分析全位置管焊机工艺特点,制定切实可行的焊接工艺参数。即根据所焊管材材质、直径、壁厚,选择焊丝材质、直径,确定所焊管道组数,再将每一道分8个区。这8个区焊接工艺参数可以一样,也可以不一样,这取决于实际焊接过程需要,实际上是把一个焊接程序分为若干段,每段的指令规范都是按各区需要输入的。

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工艺参数选择方法讨论:

1. 区段分析

在图1中,1,2区处于下坡焊位置,熔化的铁水位于钨极前方向下流淌,此时峰值电流应比平焊时稍大,以利于电弧吹开铁水去熔化其下的钝边部分母材,电压适中;3,4区属于仰焊位置,由于重力作用,送丝速度应比平、立焊时慢些,以利熔滴过渡;5,6区段处于上坡焊位置,熔化的铁水向下流淌位于钨极后方,钝边直接暴露在电弧之下,为防止烧穿,5,6区的电流应比其他各区都要小。且送丝速度应该加大,以填补电弧熔化钝边后向下流淌的母材金属,此时电压也应比3,4区有所提高。7,8区基本处于水平位置,电压、电流均可比5,6区稍大,送丝正常即可。

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图1 单焊道全位置分区

2. 送丝行为分析

在全位置焊中,为了进一步加强对熔池的控制,采用送丝与脉冲电流和钨极摆动同步控制技术,即脉冲电流峰值与钨极摆动左右端点停留时间、送丝速度峰值同步,脉冲电流基值与钨极摆动中间运行时间、送丝速度基值同步。保证焊丝熔化充分,避免送丝干扰电弧电压,影响弧长调节精度。送丝速度对焊缝成形影响很大,当送丝速度过大时,会使送丝速度大于熔化速度,未熔化的焊丝会穿过焊接弧柱区,成段烧断,破坏焊缝成形,影响焊接质量。同时也干扰焊接电弧电压,造成弧长调节紊乱,影响焊接过程正常进行。

当送丝速度过慢时,造成填充金属量不足,易形成咬边。当送丝速度不稳定时,易使焊缝高低不平宽度不均,波形粗劣。在全位置焊中送丝速度的及时变化很重要,在下坡焊和仰焊时送丝速度应较平焊略慢,在上坡焊时送丝速度应较平焊略快,填充熔池下淌金属。焊接时要求焊炬、焊丝和工件之间保持正确的相对位置(图2),防止焊丝与高温的钨极接触烧损钨极,影响钨极发射电子能力和电弧稳定性,若送丝角度太大,焊丝端部可能会有一部分插入熔池中,使焊丝熔化速度较原有给定送丝速度变慢,焊丝端部会插入熔池底部,影响焊丝正常送进,破坏焊缝成形和焊质量。若送丝角度太小,钨极摆动焊丝会和熔池前端焊道刮擦,使焊丝发生颤动,造成熔滴飞溅,影响焊接过程正常工作和焊接质量。

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图2 焊炬焊丝进入熔池的位置

3. 焊接弧长(电压)、电流行为分析

脉冲焊接电流在焊接上的一个重要应用就是实现单面焊双面成形,由焊接电压流峰值保证背面熔透,焊接电流基值防止烧穿。本文中的全位置自动TIG管焊机采用钨极摆动脉冲TIG焊工艺,焊枪实际运动轨迹如图3所示。

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图3 钨极摆动脉冲TIG焊钨极的运动轨迹

从图3 可以看出,在钨极摆动到端点(5至4和3至2区间),焊接电流为峰值Ip;而在钨极摆动过程中(4至3和2至1区间),焊接电流为基值Ib。由电弧静特性曲线可以看出(如图4所示),峰值电流Ip与基值电流Ib分别对应了两个弧压Up和Ub。从图5还可以观察到,弧压随电流的变化不是瞬间的,而且存在一个小的振荡现象。脉冲交变的前沿振荡时间约为几个毫秒。

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图4 脉冲焊时的电弧电压

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图5 脉冲焊时电弧电压波形

不难分析,仅取电压作为控制参量,如果只设定一个电压值,对应基值、峰值电流会有两个电弧长度,操作机使用自动添丝,两个电弧长度是我们不希望的。于是设计可以设定两个压值,分别对应基值、峰值电流,只要两个电压值设定合理,两个电流会有一个电弧长度。同时也可通过设定不同电压值的方法,设置基值、峰值电流对应两个电弧长度,且基值、电弧长度可控,以实现变弧长控制。

在窄间隙U形坡口全位置焊中,由于导轨安装精度和坡口加工精度的限制,导轨与环缝不可能处处平行,焊接过程中钨极的摆动中心常偏离焊缝中心,使钨极摆动中有一端点离焊道侧壁过近,按照弧压最小原理,将在钨极尖端和侧壁之间建立电弧, 弧压下降,此时若以峰值时弧压参量控制弧长,焊枪将上提,但由于上提中钨极尖端与焊道侧壁间的距离几乎不变,使焊枪持续上提直至钨极回摆。上述现象的后果是:1)无法实现钨极摆动过程中, 两端电弧短,中间电弧长的工艺性能;2)弧长的大范围变化使焊丝不能送入熔池,熔池难以保持.3)焊枪的上下剧烈运动,使熔滴易飞溅到钨极,钨极失去尖端放电的特性,弧长控制紊乱。这一问题一般可以通过横向摆动装置调整焊枪横向位置解决。

通过分析可以发现,如果钨极摆动在两端停留时间短,如图3所示,钨极在两端沿焊道的移动距离L2很小,弧长几乎不会变化,则峰值电流不会调整弧长,即可防止电弧爬壁现象。本焊机弧长控制模式有如下两个选择:

1)仅在基值电流控制弧长;

2)依据两个电流值来控制弧长。

第1种方式应用于坡口内,可避免电弧爬壁现象。由图3可以看出,电流基值区间钨极尖端在焊道表面的位移一般大于峰值区间的位移,仅依据基值电流来控制弧长相对合理且实用。但这种控制方式毕竟忽略了峰值电流区间的弧长控制,所以峰值电流区间钨极沿焊道的位移不可过大,即钨极摆动在两端的停留时间不能过长,且焊速不宜过大。经实焊发现,正常焊速(<200mm/min)下,如果钨极摆动选择两端停留时间与中间摆动时间相同,当钨极摆动频率大于0.5Hz,此方法能保证焊接过程中弧长稳定。

第2种方式应用于坡口盖面焊。控制两个电压参量的差别,可实现变弧长调节。实焊发现,在坡口盖面焊中,峰值电流区间时电弧短,基值电流区间电弧长,长弧与短弧差控制在1mm以内,焊接效果较好。

应用这种弧长控制方式要注意:

1)弧压随电流的变化不是瞬间的,弧长控制时要避开弧压在脉冲交变时的前沿振荡。

2)由于弧长调节响应速度有限,为了实现有节奏的变弧长调节,钨极摆到两端时,焊枪要有足够的时间下调至短弧,钨极在摆动中,焊枪要有足够的时间上拉至长弧。

实焊证明,如果钨极在两端点的停留时间与中间的摆动时间相同,当摆动频率大于2Hz难以实现有节奏的变弧长调节。本控制单元能根据主机的设定值选择弧长控制模式,结合对焊接电源的控制,不难用单片机程控制实现本单元的控制功能。

综合考虑,虽然各区可按需要设定焊接工艺参数,但为了保持焊缝成形的连续性,使其波纹均匀美观,相邻各区之间的参数不宜过大,即区与区之间过渡应缓慢,实际施焊中,6,7区之间过渡时经常出现烧穿现象,所以电流增长不能很大,并采用增加电压的方法来过渡。

工艺试验和接头检验:

表1所示为两组经实焊证明较合适的焊接规范,分别用于打底焊和盖面焊过程。焊接实验采用12Cr1MoV钢管,管壁厚35mm,管径325mm,U型坡口开口处宽16mm,根部宽13mm。打底焊后,依次设定对口中间层及盖面层焊接工艺参数,完成接头焊接任务。经超声波探伤和接头机械性能检验、金相检验,焊缝质量检验均符合使用要求。

表1 焊接规范一览表:

 

焊接工艺参数 打底焊 盖面焊
焊接峰值电流 220A 240A
焊接基值电流 130A 210A
焊接峰值电流电压 9.4V 10.10V
焊接基值电流电压 9.2V 9.5V
钨极左摆角 10° 20°
钨极右摆角 10° 20°
中间摆动时间 0.3s 0.6s
两端停留时间 0.3s 0.4s
焊接速度 120mm/min 90mm/min
送丝速度峰值 760mm/min 1400mm/min
送丝速度基值 640mm/min 600mm/min

 

结语:

1. 采用适当的打底焊焊接工艺参数,可一次完成管道全位置焊接单面双面成形。

2. QWZH315焊接操作机通过了整机调试和实际焊接的检验,焊道成形美观,经超声波探伤及焊接接头机械性能检验和金相检验,均符合使用要求。

 

参考文献:

[1]姚宏忠.全位置脉冲TIG焊在管子焊接中的应用.焊接技术,1995.3

[2]Vikulik.Orbital arc welding pipelines.Welding International.1993,7(11):90-904

[3]都东,韩赞东,张人豪等.TIG焊提升弧方法的研究与应用.焊接技术,1997,(1)

[4]Edbery H.Improved Touch Starting Techyniques for TIG Welding.Metal Construction,1988,20(3):116

 

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