螺旋缝埋弧焊管内外自动焊焊枪结构设计

2019-05-05王爱玲方天一

钢管 2019年1期

王爱玲，方天一

（1.辽阳石油钢管制造有限公司，辽宁辽阳 111003；2.吉林华信新型结构科技有限公司，吉林磐石 132301）

埋弧焊是一种电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法［1］，具有焊接质量稳定、焊接生产效率高、无弧光及烟尘少等优点。在埋弧焊过程中，传统的焊枪利用导电嘴把焊接电源的能量导入到焊丝上，并通过电弧，把焊接线能量输入到钢管焊缝的熔池之中［2］；但在实际生产中传统焊枪上的导电嘴容易磨损，从而导致焊丝卡壳或高温。本文主要介绍一种新型埋弧焊枪，分析新型埋弧焊枪的工作原理，并对比其与传统埋弧焊枪在试验生产中的应用情况。

1 传统焊枪结构

螺旋缝埋弧焊管要求焊接连续性高，且熔池形态稳定，否则容易引起焊接缺陷及影响焊缝性能，所以焊枪上的导电嘴负责把焊接线能量稳定输入到熔池之中，焊枪的作用至关重要。但传统焊枪上的导电嘴在实际生产中容易磨损，从而导致焊丝卡壳或高温［3］。传统焊枪结构如图1所示。

图1 传统焊枪结构示意

2 新埋弧焊枪结构设计

为解决螺旋缝埋弧焊管实际生产中传统焊枪焊接过程中遇到的问题，设计焊枪结构，保证螺旋缝埋弧焊钢管过程中的焊缝质量。

新设计的新型埋弧焊枪结构如图2所示，其特征是：芯杆的顶部固定在底座上，芯杆内设有供焊丝通过的轴向通道，底座顶部有供焊丝通过的孔，底座顶部的孔与芯杆的轴向通道相连通，还包括导电连接板，调整连接板通过螺钉固定在导电连接板上，导电连接板和调整连接板上都设有供芯杆通过的孔，调整连接板上固定有立板，带有台肩的调整螺栓的前端固定在底座上，调整螺栓的后端从立板中伸出，伸出部分上装有调整手柄，调整螺栓上套设有矩形圆弹簧，矩形圆弹簧的前端顶在调整螺栓的台肩上，矩形圆弹簧的后端顶在立板上，底座上设有销轴，调整连接板上设有与底座上销轴相配合的瓦座；导电连接板的底部固定有空心的导电连接杆，导电嘴安装在压帽上，压帽与导电连接杆的底部螺纹连接，芯杆经调整连接板、导电连接板进入到导电连接杆内，芯杆左半部分的长度小于右半部分的长度，芯杆左半部分的底端位于导电连接杆内，芯杆右半部分则伸入到导电嘴内。同时在导电连接杆上设与其中间空心部分相连通的冷却风道。

图2 新型埋弧焊枪结构示意

3 新设计的埋弧焊枪工作原理

当焊丝与导电嘴的通孔之间间隙大时，拧动调整手柄，使调整连接板和导电连接板围绕底座上的销轴进行摆动，芯杆支撑焊丝固定不动，确保焊丝出离导电嘴后方向不变，焊丝输出中心始终不发生变化，不会出现焊偏现象及因焊丝偏差而产生的焊丝卡壳问题，并能保证导电嘴导电稳定，焊接熔深稳定，焊接效果好。

由于在导电连接杆上设有冷却风道，所以可对导电连接杆和导电嘴降温，从而降低焊丝温度，达到同等焊接规范下熔深最大，且减少了电能消耗。

4 两种焊枪在试验生产中的应用情况

4.1 钢管生产线简介

加工产品规范水平PSL2、材质A25～X100、直径406～1 422 mm、壁厚6.0～25.4 mm的各种规格螺旋缝埋弧焊管。焊接设备主要由焊接电源（lINCOLN焊机、US控制系统）、控制箱、送丝装置、焊头装置、跟踪装置和调整机构组成。焊接电源采用数字电源，可采用内、外3丝及以上进行焊接，该机组的焊接部分基本实现自动化，并使用激光焊缝自动跟踪系统，能实现内、外焊焊头的自动定位、监视功能。

4.2 生产钢管基本信息

对使用新设计的焊枪与传统焊枪生产钢管进行对比试验，生产钢管基本信息见表1。

表1 生产钢管基本信息

4.3 两种焊枪生产情况

在使用内外焊缝自动跟踪系统情况下，两种焊枪均重新更换同材质导电嘴，每种焊枪在同一钢管机组上分别连续生产50 h，按照表1基本信息生产钢管，每种焊枪生产钢管各60根，每根钢管长度大约12 m。

4.3.1 内外焊缝焊偏量对比

第一组试验：选取新型焊枪与传统焊枪分别生产的前10根钢管，因前10根钢管导电嘴基本无磨损。按照API Spec 5L—2012要求，在每根钢管上取3个内外焊缝焊偏试样，取测量结果平均值进行记录，每种焊枪分别记录10组焊偏试验数据。传统焊枪与新设计焊枪内外焊缝焊偏量见表2，对比如图3所示。

表2 传统焊枪与新型焊枪内外焊缝焊偏量mm

图3 新型焊枪与传统焊枪内外焊缝焊偏量对比

第二组试验：每种焊枪生产的钢管按照导电嘴使用的焊接时间进行取样，按照API Spec 5L—2012要求，每偶数小时分别在两种焊枪焊接的钢管上随机各抽取3个焊偏试样，取平均值进行记录，在两个焊枪上的导电嘴使用时间达到20 h后，焊偏量随导电嘴使用时间变化量如图4所示。焊偏情况较好和较差分别如图5～6所示。

图4 焊偏量随导电嘴使用时间变化量

图5 焊偏较好

图6 焊偏较差

4.3.2 焊枪对焊缝冲击性能的影响

通过一组试验，验证线能量对焊缝冲击功的影响。焊接时调整焊接线能力，用3组不同线能量焊接钢管，分别在3组焊接钢管上取冲击试样，按照API Spec 5L—2012试验方法执行，试样尺寸10 mm×10 mm×55 mm，试验结果见表3。

表3 不同线能量试样焊缝冲击功对比

通过试验发现，线能量对焊缝冲击功影响较大，主要因为在焊材及母材试样都相同的情况下，当焊接线能量大时，焊缝组织冷却速度慢，结晶时间相对较长，晶粒长大［4］；在保证焊缝熔深和内外焊缝重合量下，当降低线能量时，焊缝冷却速度快，焊缝中形成的奥氏体晶粒来不及长大，晶粒得以细化［5］。焊缝韧性值大小主要取决焊缝中晶粒的大小，当细化的晶粒比例较高时，焊缝韧性较高，反之亦然。控制线能量使其焊缝获得细小、均匀的组织，焊缝冲击韧性上升［6］。

在焊接过程中，由于传统导电嘴在使用12 h左右时磨损增大，导电面积减小，造成焊丝温度升高，熔深减小，为保证焊透，此时需及时更换导电嘴；如通过增加电流，增大电能消耗，焊接线能量增加，通过表3发现焊缝冲击韧性会下降［7］，此时需要更换导电嘴。

对使用新型焊枪焊接的钢管按照API Spec 5L—2012截取冲击试样，对应导电嘴连续使用5，10，15，20，25…50 h生产的钢管进行焊缝冲击试验，一般普通导电嘴寿命20 h左右，因该装置可以固定焊丝位置，可以延长导电嘴使用寿命至55 h左右。用新型焊枪焊接时焊缝冲击值随时间变化情况如图7所示。

图7 用新型焊枪焊接时焊缝冲击功随时间变化情况

从图7可以看出，使用新设计焊枪焊接的钢管，其焊缝冲击试验数据较稳定，焊缝冲击功随着焊枪使用时间增加基本无波动。

4.3.3 焊缝外观质量对比

对两种焊枪生产的钢管的焊缝外观进行检查，发现传统焊枪生产的最后10根钢管与新设计焊枪生产的钢管相比存在以下问题。

（1）焊缝咬边。连续给进的焊丝通过导电嘴传导焊接电流，传统焊枪导电嘴因使用时间长后导致导电嘴孔径过大，夹不住焊丝，使导电嘴失去给焊丝导向的作用，并造成导电不良，焊缝咬边的产生［8］。

（2）焊接断弧。使用传统焊枪焊接工作时，如果导电嘴选择不好，不耐磨或不耐高温，使用一段时间后导致接触不良，会出现发热发红现象，导致导电效率低，内孔径与焊丝接触面积小，导电面积不够，大规模焊接时，导电嘴和焊丝发热，容易导致焊丝与导电嘴黏结，焊接时黏附飞溅物，堵塞焊嘴，导致断弧停车，或者及时停车更换导电嘴，将影响机组作业效率［9］和焊缝一次通过率。新型焊枪能够通过风冷给导电嘴持续降温，有效地避免上述问题，减少停车频次。

（3）焊缝形貌。在螺旋缝埋弧焊管生产过程中，会出现焊缝宽度不均匀现象，主要因为传统焊枪在导电嘴使用磨损后，会出现导电性变化，直接影响焊缝质量，焊接过程中电流、电压大幅度地变化，导致焊缝宽度不均匀［10］。

焊丝端部温度过高，电力电压降低，同等焊接电压情况下，电弧拉长，熔深变浅。且因磨损后的导电嘴断续接触导电，造成熔深深浅不一致，易出现未焊透缺陷。熔深变浅后，熔敷金属覆盖在焊缝表面，造成焊缝余高过高［11］。

焊缝外观质量问题如图8所示。

图8 焊缝外观质量问题

5 分析

（1）内外焊缝焊偏试验。通过两组内外焊缝焊偏试验发现，第一组试验因每种焊枪使用时间短，导电嘴未磨损，焊接时对内外焊缝焊偏量影响较小；第二组试验表明传统导电嘴随着使用时间增加，导电嘴磨损严重，内孔径增大或失圆，焊丝针对母材合口缝位置发生偏离，导致钢管内外焊缝焊偏。新设计焊枪的导电嘴根据使用时间去调节焊丝位置，能够有效减少焊缝因焊丝偏离导致的焊偏。但实际生产过程中，需要总结调节新设计焊枪、焊丝位置和时间的方法，避免因忘记调节导致焊偏现象发生。

（2）冲击试验。因传统导电嘴随着焊接时间增加，导电嘴磨损增大，导电面积减小，造成焊丝温度升高，熔深减小，为保证焊透，需增大电流，增加电能消耗；焊接线能量增加，焊缝冲击韧性下降。使用新型焊枪可以有效避免因导电嘴磨损调节电流现象，同时可以有效地降低焊丝的温度，保证焊接过程中电流、电压稳定，能够很好地保证焊缝冲击功的稳定性，为工程项目数据分析减少影响因素［12-13］。

（3）焊缝形貌。因传统焊枪导电嘴磨损后无法调整，新设计焊枪通过调整焊丝位置能够使导电嘴使用时间延长，很好地保证焊丝出离导电嘴时方向不变，焊丝输出中心始终不发生变化，不会出现焊缝外观质量问题及因焊丝偏离而产生的焊丝卡壳问题，并能保证导电嘴导电稳定，焊接熔深稳定，焊接效果好。同时，因导电连接杆上设有冷却风道，所以可对导电连接杆和导电嘴降温，从而降低焊丝温度，达到同等焊接规范下熔深最大，电能消耗低的目的［14-15］。