（材料加工工程专业论文）脉冲埋弧横焊工艺研究及其在石油储罐焊接制造中的应用.pdf

中文摘要 普通埋弧横焊工艺在焊接厚板时，采用大的热输入会造成焊接热影响区 ( 墟) 过热，焊缝组织晶粒粗大；提高焊速会造成焊缝上部容易出现咬边， 下部容易出现液体金属流淌等成形缺陷。 针对这些问题，本文把横焊位置脉冲埋弧焊的熔池简讫为一个承受脉冲载 荷的固体金属表面的液态金属，通过定性和定量的方法，分析了横焊位置的脉 冲电流对表面张力、脉冲电流对熔滴冲击力和脉冲电流对熔池所受电弧作用力 的影响，建立了横焊位置熔池的受力模型，计算了横焊位置电弧对熔池的作用 力，探索了消除咬边的机理：即电磁力、熔滴冲击力以及表面张力的合力都 是随焊接电流的变化做周期性变化，这样的周麓性变化有利于熔池液态金 属的铺展，进而有利于在填充焊和盖面焊中消除咬边。 本文还分析了双丝脉冲埋弧横焊打底焊的熔池受力状态黧运动状态，从 中得出：由于熔池受到了来自于工件正反两面的由脉冲电流引起的脉冲作 用力的共同作用，脉冲埋弧横焊打底焊不仅可以利燃峰值电流保证熔深， 消除未焊透，而且可以减少普通单丝埋弧横焊打底焊容易出现的焊穿情况， 即拓宽了普通单丝埋弧横焊打底焊的工艺参数范围。 关键词：脉冲埋弧焊石油储罐横焊咬边打底盖面 a b s t r a c t i nt h ec o m m o l lt r a i l s v c r s es u b m e r g e da r cw e l d i n g ( s a w ) o ft h i c kp l a t e s ，h i g h h e a ti n p u tu s u a l l ym a k e sh e a ta f f e c t e dz o n eo v e r h e a t e d ，w h i c hc a u s e sw e l dg r a i n b i g g e r ；m e a n w h i l e ，h i g hw e l d i n gs p e e da l w a y sm a k e su n d e r c u th a p p e nt ot h eu p p e r p a r to fw e l d ，t h el o w e rp a r to f w h i c ht u r n st ob ei n t u m e s c e n ta st h el i q u i dd r o p s s i n c e t h el a r g e rg r a i ns i z ea n du n d e r c u th a v en e g a t i v ee f f e c to nt h ew e l d ，am e c h a n i s mo f u n d e r c u te l i m i n a t i o nw i t hp u l s e dc o n t r o l l e ri sp r o p o s e di nt h ed i s s e r t a t i o nt od e c r e a s e t h e s ep e s s i m i s t i ce f f e c t s t h em o l t e np o o li nt r a n s v e r s ep u l s es a ww a ss i m p l i f i e di n t oal i q u i dm e t a lo n t h es u r f a c eo fs o l i dm e t a l ，w h i c hr e c e i v e s p u l s el o a dr e g u l a r l y i nt h i sw a y , q u a n t i t a t i v ea n dq u a l i t a t i v ea n a l y s i sw a sc a r r i e do u to ft h ep u l s ec u r r e n t se f f e c to nt h e s u r f a c et e n s i o na n do nt h ea r ef o r c el o a d e dt ot h ep o o la sw e l la so nt h ei m p a c tf o r c e o fd r o p l e tt r a n s f e r as t r e s s e dm o d e lo ft h et r a n s v e r s em o l t e np o o lw a st h e r e a f t e rb u i l t l 攀，w i t hw h i c ht h ea r cf o r c el o a d e dt ot h ep o o lw a sc a l c u l a t e do u t w i t hs u c hs i m p l i f i c a t i o na n dc a l c u l a t i o n ，t h em e c h a n i s mo fu n d e r c u te l i m i n a t i o n w i t hp u l s ec u r r e n td e m o n s t r a t e st h a tt h ea r cf o r c el o a d e dt ot h ep o o l ，t h ei m p a c tf o r c e o f d r o p l e tt r a n s f e ra n d t h er e s u l t a n ts u r f a c et e n s i o na l lf o l l o wt h er e g u l a rp u l s ec u r r e n t c h a n g e s u c hr e g u l a rc h a n g eo ft h e s ef o r c e sh e l p st os p r e a dt h el i q u i dm e t a l ，w h i c h r e s u l t si nu n d e r c u te l i m i n a t i o ni nf i l l i n ga n dc o s m e t i cw e l d i n g m e a n w h i l e ，s p e c i a l a t t e n t i o nw a sp a i di n b a c k i n gp r o c e s so ft r a n s v e r s e d o u b l e - w i r ep u l s es a wt ot h ed y n a m i cm o v e m e n to f m o l t e np o o l ，w h i c hi su n d e rt h e l o a do fp u l s ef o r c e sf r o mt w od i f f e r e n ts i d e s t h ef o r c e sf o l l o wt h er e g u l a rc h a n g e so f p u l s ec u r r e n t ，t h ep e a kv a l u eo fw h i c he n s u r e sap l e a s a n tp e n e t r a t i o nt op r e v e n t i n c o m p l e t ep e n e t r a t i o n t h ep u l s ec u r r e n tc a na l s od e c r e a s et h es i t u a t i o no fb u r n i n g t h r o u g hb a s em e t a l ，w h i c hi sr a t h e rc o m m o nf o ro r d i n a r ys i n g l ew i r et r a n s v e r s es a w c o n s e q u e n t l y , t h er a n g eo fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r si no r d i n a r ys i n g l ew i r et r a n s v e r s e s a wc a nb ei n c r e a s e dw i t ht h et e c h n o l o g yo fd o u b l e w i r ep u l s es a w k e yw o r d s ：p u l s e ，s a w , p r e s s u r ev e s s e l ，t r a n s v e r s ew e l d i n g ，u n d e r c u t ， b a c k i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取褥的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得基鎏盘堂或其他教育机构的学位或涯 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确熬说明并表示了谢意。 学位做储魏辞呈签字嗍。眇7 年2 月多网 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者宪全了解叁壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文熬全部或部分内容编入有关数据疼进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供奁阅和借阅。同意学校 向国家有关都f 1 或机构送交论文的复印髂和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字遐期：二叩年 导灏签名：孚栏导灏签名：芗秽 签字日期：如夕年二胃笋尽 星泪 私多 套硼 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 工业背景 第一章绪论 与世界发达国家相比，中国能源储备体系建设还相对滞后。以石油储备 为例，蠡翦美圜石油储备霹供使耀1 5 0 天，日本则多达1 6 0 天，相比之下， 中国却只有7 天。 近年来，在“中国2 l 世纪石油战略总体框架下，国家确定在镇海( 浙 江省宁波市) 、岱由浙江省舟山帘) 、黄岛( 由东省青岛市) 、大连( 辽宁省大连 市) 等地动工建设石油战略储备库。以大连为例，国家石油储备库由3 0 台l o 万m 3 罐群组成。l o 万立方米樱当予9 万吨左右的原油，3 0 座这样的储罐所储 藏的石油基本能够满足全国3 天左右的石油消费量。这几个储备库的各项建 设工作正在紧张进行，全部4 个基地的建设工作将在2 0 0 8 年完工。 从世界范围看储罐建造的形势，最近三四十年来，储罐向大犁化发展的 趋势已成定局。1 9 6 2 年美国首先建成了l o 万m 3 浮项储罐，1 9 6 7 年在委内瑞 拉建成了1 5 万m 3 的浮颈储罐。1 9 7 1 年基本建成了1 6 万m 3 的浮顼储罐，其盎 径达1 0 9 m 、高1 7 8 m ：沙特阿拉伯建成2 0 万m 3 巨型储罐，其直径达1 1 0 m 、 高2 2 。5 m 。1 9 8 5 年我国从日本引进l o 万m 3 浮顶储罐的设计秘施工技术并在秦 皇岛建造成功。 在我国大型储罐施工建设的新一轮高速发展期期间的标志性工程有在茂 名石纯公司建成的两座1 2 5 万m 3 浮顼储罐和在江苏省仪征油库建造的两台容 积达到1 5 万m 3 的特大型原油储罐，后者是迄今为止我国自行研制开发建设 的最大容积的储油罐，其罐体单台重量为2 8 0 0 吨，壹径矜= 1 0 0 m ， 高度弑 = 2 1 8 m 。【l 】 以一台1 5 万m 3 原油储罐为锣l | ，仅罐壁板对接环焊缝需要填充的焊缝金 属重量就达到惊人的6 6 吨左右。由此可见，油罐焊接施工的特点是焊接任务 量极大、焊接质量要求高，所以焊接施工和焊接市场竞争的主要因素是高效 的焊接新工艺。这正是为侍么在戮前的国家石油战略储备痒以及地方油库的 储油罐焊接生产中，埋弧自动横焊是广泛使用的焊接工艺。图1 1 是华北油 圈储罐制造现场，图中自色外壳是横缝自动焊操作机，图1 1 b 中的黄色光斑 不是弧光，而是操作机内的自炽灯光。 天津大学硕 学位论文第一章绪论 a ) 埋弧自动横焊设备的吊装b ) 埋弧自动横焊设备正在施焊 即i i 储罐制造现场 焊接生产巾主要通过提高焊接速度或者提高熔敷效率来提高生产效率。 在埋弧焊中，为满足对于熔深的要求一般在提高焊接速度的同时增大焊接 电流，但是增大的电流会引起电弧力的明显增大。这种情况下简单地提高 焊接速度会产生一系列的焊接缺陷，容易出现的问题有：咬边、“驼峰”焊道、 焊瘤、焊道不光泽、焊接接头h a z 品粒粗大、力学性能( 特别是低温韧性指标) 难以保证等。其中咬边是最常见的缺陷，它容易造成结构件的应力集中， 是耐热耐压容器的薄弱环节。1 2 课题概述 2 】研究目的、意义 通过参考| 司内外焊接工艺的科研及生产状况，以及埋弧横焊工艺的优缺 ，本课题确定的研究目的是：探索横焊位置消除咬边的机理和单缒双丝脉 冲焊工艺对提高埋弧横焊焊接质最的作川。 天津大学硕上学位论文第一章绪论 1 2 2 研究内容 结合电磁收缩效应和液态金属的表面张力，通过分析在横焊位置时，脉 冲电流对表面张力f o 的影响，对熔滴冲击力f m 的影响，尤其是脉冲电流对熔 池所受电弧作用力f b 的影响，建立在横焊位置时的熔池受力模型，分析熔池 的受力情况，探索脉冲电流对消除咬边的机理。 把盘主开发的单丝双丝脉冲控制器应震在储油罐焊接生产中的埋疆自动 横焊工艺中，通过无脉冲、单丝脉冲、双丝脉冲的焊接试验，验证消除咬边 的机理，探索单丝，双丝脉冲焊工艺对提高埋弧横焊焊接质量的作用，戈其是 双丝脉冲埋弧横焊打底焊中，在脉冲电流弓i 起的脉冲作用力从工件正反两侧共 同作用下的熔池受力状态和运动状态，探讨脉冲埋弧横焊打底焊的特殊作用。 天津大学硕士学位论文 第二章高速焊接的咬边问题 2 1 咬边概述： 第二章高速焊接的咬边问题 焊接生产中通常以熔敷速率，即单位时间内熔敷的焊接金属重量，作 必衡量生产效率的指标，所以施工中主要通过提高熔敷效率来追求离的生 产率。为了实现较大的熔敷速率，需要加大焊接电流。较大的焊接电流要 求配以更大的焊接速度，可是在埋弧焊中，简单地提高焊接速度会产生一 系列的焊接缺陷，容易也现的主要问题之一就是咬边。 自动埋弧焊焊缝咬边的产生是由于焊接电流过大、电弧过长、焊枪角 度掌握不当等原因造成。焊缝咬边在平焊霹较少出现，而在立焊、横焊、 仰焊时是一种常见缺陷。咬边不仅削弱了焊缝的承载截面积，更重要的是 由于局部结构不连续丽弓l 起应力集中。如果材料延塑性不足嚣缺乏对局部 高应力的再分布能力，则可能以此咬边处为起点向其他部分开裂，所以对 咬边的深度和长度均应加以限制。 本耄将集中讨论咬边的基本概念与分类，咬边对构件性能的影响，消 除咬边的机理和咬边的影响因素及防止措施。 2 2 皎边的基本概念与分类 2 2 1 基本概念 据a w sa 3 0 术语与定义1 3 】，咬边( u n d e r c u t ) 是指“在靠近焊趾( t o e ) 或焊 根( r o o t ) 处，熔入母材的未被焊缝金属填补的一种沟槽”。咬边通常发生在 母材与焊缝接合处的表面。不论是对接焊缝或填角焊缝，咬边总成为一条 大致垂赢于板料表面的沟槽，但其深度、宽度和形状有所不同。如图2 1 。【4 】 长期以来，人们对它的熟视无睹，使其能够残存予备类接头的焊缝上。 咬边是g b t6 4 1 7 1 9 8 6 中的一项，是i i w 和i s o 焊接缺陷分类标准第5 0 1 类形状缺隆，又称成形缺陷。根据日本焊接界对焊接缺陷的分类，咬边涉 及到焊缝形状尺寸和结构不连续等方面，参见表2 1 4 1 。 毒 天津大学硕士学位论文 第二章高速焊接的咬边问题 r i ， 毯 l ( frf 气 】 j? 弋、_ ， 图2 1 咬边示意图 表2 一l 焊接缺陷的分类 1 形状尺寸上的缺陷2 外部形状与尺寸上的缺陷3 结构上的不连续 l 。l 努形足专缺陷2 1 浑缝尺寸不正确 1 2 变形2 2 焊接变形 1 3 焊缝金属表僦缺陷 2 3 焊接接头部位及焊缝表面缺陷 l 。4 群缝金矮瑟瑟上的缺陷2 3 。l 焊缝残形不蹇 1 4 1 咬边2 3 2 咬边 1 4 2 未焊遴2 3 3 焊瘤 l 。4 。3 溢流2 。3 4 烧穿 2 3 5 漏液 2 3 6 焊口( 弧坑) 3 1 耒焊透 3 2 气孔 3 3 夹渣( 夹杂物) 3 。毒裂缝 3 5 溢流 3 6 咬边 3 。7 来熔含 3 8 烧穿 2 2 2 皎边类型 因焊接造成的焊趾( 或焊根) 处的沟槽，咬边可能是连续的或闻断的。连 续咬边的i i w 和i s o 焊接缺陷分类标准编号是5 0 1 l ，间断咬边的i i w 和l s o 焊 接缺陷分类标准编号是5 0 1 2 ，参觅鎏2 2 。咬边可阏可狭，霹深可浅，可开 可闭，可目察可隐藏，可预测或无法检测【4 】。咬边的多变性对焊接接头邻近 部位性能的明显影响，对设计师和工艺师都是严峻的现实。 为便于分析，下面将皎边分为三种类裂，如图2 3 ： ( 1 ) 宽型：其深度可测； ( 2 ) 狭型：状似裂缝，其深度难以计量推渊，甚至不可测； ( 3 ) 浅狭型：深度至多0 2 5m m 左右，无法以目测或无损检测测知。 l 、宽型咬边 宽型咬边易在大的热输入下形成，此时熔池容易呈紊流状态，很可能 将邻近焊趾的基本金属熔化或冲刷掉，但是在熔融金属回流充填焊趾之前， 焊缝金属已经凝固，这就是产生皎边的枫理。 5 天津大学硕士学位论文 第二章高速焊接的咬边问题 在形状上，焊趾沟槽的宽度尺寸与深度尺寸属同一数量级，例如，大 约在lm m 或稍大些，易于使用简单的量规进行测量帮评定。 5 0 11 q 工口卫 ( c ) 图2 2 连续的或间断的咬边简图 路路 a ) 宽两弯麓状( 1 ，) 狭两裂缝状秭显微裂缝状 图2 3 咬边的三种分类 2 、狭型咬边 与宽型咬边相反，狭犁咬边沟槽几乎为焊缝金属填满，所以目测沟槽 底部的形貌受到限制，缺陷难潋评定，毽可用干式渗透或磁粉检测法测得 表面的非连续性。即使这样，也无法测定狭型咬边的深度。超声波检测也 有难处，除非其沟槽相当深而且结构可达性又适于探查。 3 、浅狭型皎边 此类咬边与上述两类宏观缺陷的咬边相比，基本上属于显微裂缝的性 质，这是在鼹察分析疲劳性中菜整学者的观点。由予解剖、蘑片等嚣限制， 对于不同材料，不同焊接方法所焊焊接接头中的这种缺陷的性状还了解得 不多。 6 盘 孛 i 遴 天津大学硕士学位论文 第二章高速焊接的咬边问题 2 3 咬边对构件性能的影响 在了解了咬边的基本概念与分类的基础上，这里就可以讨论“咬边对 构件的性熊有哪些影响? 弦 咬边或焊趾沟槽是沿着焊缝焊趾伸展的连续的或断续的缺口，势必增 大局部应力值。咬边底部应力、局部应力升高的幅度取决于沟槽底部是圆 顺的还是尖锐的，因此皎边对焊缝形状和截面变化造成局部应力增大的现 象比较复杂，需要如实分析。 假设旋加予结构上的应力大致平行于咬边或焊趾沟稽，两且焊趾沟槽 扩展成明显裂缝的情况可以忽视，则不论哪类咬边都可允许存在。但是如 果施加的应力或其中一个分力与焊趾沟槽裰垂直，赠根据结构局部形状和 载荷类型，某些咬边产生的影响可能是至关重要的，也可能是无足轻重的。 2 3 1 静载荷 塑性结构中咬边引起的较高的局部应力会促使沟槽底端局部屈服( 图 2 4 ) 以塑性变形释放应力。拉倬载蔫卸载磊沟槽底部弹性伸长的奉耋料在弹 性恢复后将受压，相反，受压构件卸载后沟槽底端处的残余应力将是拉应 力。如果旄加的载荷极高，超过憨屈服则弹性恢复霹减至最小限度。所以 在塑性状态下，咬边构件在残留的皎边平面内可随载荷大小里全拉伸或全 压缩状态。咬边对于对接，丁字接或腹板的一系列影响如图2 5 所示：断厦 减薄，降低名义应力，升高局部成力。如豳中u 值为0 。5 m m ，贝l j s m m 厚腹板 上l m m 的减量已极为可观。但若咬边与所加应力平行，又处于塑性状态下， 则无关紧要。 塑性区一咬边底部局部屈服 ( a ) 受拉伸载葡构件( b ) 卸载以骺的构件 图2 4 咬边羯部压服 天津大学硕士学位论文第二章高速焊接的咬边问题 ( a ) 瓣接 ( 哮丁字攘 ( c ) f 形腹援 图2 5 咬边引起的截面减薄 然而在脆性状态下任何缺口都会增强脆断的危险。对于一些高强度材 料或厚壁焊件，可允许的咬边值将极低，甚至不允许有咬边缺陷。 2 - 3 2 动载荷 1 对冲击韧度的影响 表面缺欠对冲击韧度的影响最为严重。若表面缺欠位于焊趾部位，则 其临界尺寸还要减小。咬边即属诧种危险缺欠之一。缺欠数量越多，影响 越强烈。图2 6 为一例，采用“缺欠率”表示缺欠数最，即缺欠在整个接头 断恧中所占的比例( 用百分数表示) 。 块欠率( 0 )i 无一，干 、， 圈2 6 缺欠率对冲赉韧度鳇影响 低碳钢焊接接头) 2 对疲劳强度的作用 在咬边的类型，咬边底端的尖锐程度和咬边的深浅等多种因素联台影 天津大学硕士学位论文 第二章高速焊接的咬边问题 响下，咬边或焊趾沟槽对疲劳强度的作用比较复杂。尖锐的焊趾沟槽会深 及部分截面，并在显微裂缝处引起扩展，降低疲劳寿命。 2 3 3 腐蚀 咬边或焊趾沟槽在腐蚀环境中由于积聚腐蚀产物会加速局部腐蚀，而 且在特殊情况下，较低的干燥速度与潮湿的焊趾沟槽会使应变加剧，在含有 冶金残渣的区域内危害更大。另外，焊趾周围的由停滞不动至紊流状态的 液流对咬边腐蚀也有影响。 经过保护牲处理的构件，会使咬边或焊趾槽难以湿润两给以填满。残 留内容物或其腐蚀产物的膨胀和收缩，或者残存内容物的腐蚀反应均有可 能破坏金属与保护层之阕的结合力焉使构馋失效。因此，应慎重选取可行 的表面层保护方法和咬边或焊趾沟槽的容限规范。 2 4 横焊位置消除咬边的机理 既然咬边对构件的性能有着和众多的严重的负面影响，那么就必须分析如何 消除咬边。下面重点通过力与电流之间的关系来讨论“横焊位置消除咬边的机 理”。为了探究这个机理，这里首先介绍电弧力产生的基本原理。 2 。4 。l 电磁收缩效应 电弧对于焊接而言，不仅仅是一个热源，同时也是一个力源。电弧力与焊接 中表现掇的熔池形态、熔深尺寸、熔漓过渡、焊缝戒形等都有密切关系，同时也 是形成不规则焊缝、产生成形缺陷、造成焊接飞溅的直接原因。当焊接规范采用 较大电流时，毫滋力的表现是很突出的。 1 电磁收缩力 由电磁学原理知道，在两根相互平行导体中，通过圊方向的电流时，导体闻 产生相曩吸引力，若电流方向相反，则产生排斥力。这个力的形成是由于个导 体中的电流在另一个导体的周围空间形成磁场，磁场问相互作用，使导体受到电 磁力。因电流方向主的差舜，电磁力表现巍鞠互吸弓| 或楣互排斥。单位长度导体 上作用力f 的大小由下式确定： f ：x 丝 ( 2 1 ) 9 天津大学硕士学位论文 第二章高速焊接的咬边问题 式中，f 的单位是n l m ；k 为系数= 4 兀，为介质磁导率，单位为n a 2 ； l l 为导体l 中流过的电流；1 2 为导体2 中流过的电流；毛为两导体闻距离。 图2 - 7 导体内的电磁力 当电流在个导体中流过时，整个电流可看作由许多平行的电流线组成，这 些电流线间将产生相互吸引力，如图2 7 所示，使导体截面有收缩的倾向。对于 鋈态导体，此收缀力不能改变导体外形，僵对于液态或气态导体，其将产生截面 收缩，如图2 8 所示，这种现象称作电磁收缩效应，所产生的力称作电磁收缩力。 电磁之赢力线 飞：至 2 。电弧静压力 把电磁学中的毕奥一萨伐尔定律应用于无限长直线电流，得其磁场强度表达 式为【5 j ： 胃：坐三 2 ；v 口“ ( 2 2 ) 公式q 2 ) 为国际单位剁的表达式，其中的系数为趁冗，单位为n 缝2 。在e 。m u 单位制1 5 】中上述系数的值变为1 ，单位仍为n a 2 ，这里把它设为8 ，即= ln a 2 ， 1 0 天津大学硕士学位论文 第二章高速焊接的咬边问题 由此公式( 2 2 ) 转化为： h ：一i ( 2 - 3 ) 下颐将采用e m u 单位制进行问题的分析。假设导体为圆柱体，电流线在导 体中的分布是均匀的，剩等体内部任意半径坡的电磁力的压强p r 的数值为溺： 只钮矛1 2 ( r 2 一r 2 ) ( 2 川 式中，p ，的单位是n m 2 ；i 为导体的总电流；r 为导体半径。 导体中心轴上( f = 的径向压强为【6 l ： 氏= 泵1 2 = - j l ( 2 5 ) 式中，p o 的单位是n ，m 2 ；_ ，为电流密度，户i 斌2 。 对予流体，其内部各点处压力各向等值，径向压力等于轴向压力，轴向压力 的合力方程为： ， 1 t 2 = 一s l 2 式中，l 为电流值，f 为轴向合力，是第一类电磁收缩力。 图2 - 9 焊接电弧模趟 ( 2 - 6 ) 实际上焊接电弧不是圆柱体，而是截面真径变化的嘲锥状的气态导体，如图 2 - 9 所示模型。因为电极直径限制了导电区的扩展，而在工件上电弧可以扩展的 比较宽，所以电极翦端电弧截压直径小，接近工件端电弧截蘑直径大，毒式2 - 4 可知，直径不同将引起压力差，从而产生由电极指向工件的推力f a ，其方程为【6 】： p 冗= 占1 2l o g ( ( 2 忉 天津大学硕：t 学位论文 第二章高速焊接的咬边问题 式中， 如为锥形弧柱上底面半径：砥为锥形弧柱下底面半径，f 。亦称作电 弧静压力，为指肉工件的推力，数傻与电弧电流、电弧形态有关，由于电弧中电 流密度分布是不均匀的，弧柱中心区电流密度高于周边区域，所以电弧静压力在 分布上是中心轴上的压力高于周边的压力。 2 4 2 脉冲电流对熔池所受电弧作用力f b 的影晌 如图2 1 0 所示的液体力学模型，对于横焊位置的焊接熔池，作用在其上 的作用力有流体本身的重力f g ，电弧对熔池的作用力f b ，熔滴对熔池的冲击 力k 帮熔涟液态金属与母材及电弧气体成分的表露张力合力f o ，另外还有 固体母材对熔池的支持力f n 等。注意，电弧对熔池的作用力f b 就是前一小 节所述的电弧静援力。在电弧稳定燃烧，熔漓过渡平稳的情况下，熔池的 自身重力和支持力均可以假设保持不变，这样就可以着重分析上述的f b ，f m 和f 。 线 圈2 1 0 横焊位置熔池金属受力示意图 1 讨论前提 下丽来讨论在横焊位墨脉冲电流对熔池受到翡电弧作爝力f b 的影噙。在 讨论的过程中，磁偏吹、表面张力、熔池表面形状等因素使问题变得非常 复杂，这里有必要通过分析对问题进行简化。 因为是在鬏粒状焊齐j 的覆盖下燃烧，所以从外表上看，埋弧焊的电弧 是很安静的。但是，从测得的波形图看，埋弧焊的电弧却比较活泼，还存 在着磁偏吹。 6 1 存表面张力、自身重力和支持力共同作用下，电弧作用平面与水平方 1 2 天津大学硕士学位论文第二章高速焊接的咬边问题 向成定的角度0 【，这里称作熔池角( 参见图2 11 ) 。熔池角a 的大小主要与熔 池内液态金属的表面张力有关。 为简单起见，这里忽略磁偏吹和表面张力的影响，其中表面张力的影 响将在震面的章节进行讨论。 忽略了磁偏吹的影响，就可以假设：电弧在弧长范围内有足够的挺度。 在多层多道焊过程中，考虑到每道焊缝的施焊空间很小，尽管熔池表藏存 在微波而形成了复杂的曲面，但是由于忽略了表面张力的影响，且这些微 波的表面与电弧接触部分的曲率很小，所以可以近似看作平面，即电弧是 作用在平瑟a b 上( 参冤蓖2 11 ) 。 下面分析熔池角a = 3 0 。，焊枪与水平方向成1 3 = 2 2 。，即焊枪与电弧作 霜平蘧a b 成5 2 。角，焊枪静止不动进行施焊时的熔渣在电磁场律蕉下的受 力情况，如图2 1 l 所示。 图2 1 l 横焊使萋的熔泡受到酶电弧终雳 此时，电弧力f b 顺着焊枪的方向，与水平方向的焦度也为2 2 。由于忽 略了焊枪移动对电弧在熔池表面形成投影的影响，刚电弧在熔池表面形成 的作用平面，即电弧在熔池表面形成的投影，可以近似为个迪卡尔坐标 系中的撩嚣，焊枪在熔池表面形成的投影与撩圈的长轴方惫重合。设这个 椭劂的长轴为a ，短轴为b ，如图2 1 2 所示。豳此可以假设与电弧相连的焊丝 无限长，电流以平瑟辐射状均匀地从椭圆状熔池滚擞。 1 3 天津大学硕：e 学位论文 第二章高速焊接的咬边问题 j l y i l 杖 i i f ，厂 1 趴 2、秘 a 翼y 、掌 匿2 1 2电薮在髂涟表西形成麓糕蠢投影 x 2 横焊位置电弧对熔池的作用力f b 的计算 如图2 1 2 所示，根据以上的分析和假设，下面开始计算横焊位置电弧对 熔池的作用力f b ，简称电磁力。 童椭圆方程。要+ 善：1 ( - 口 3 7 5 - - - 4 6 0 正火 2 5 常温 a k v 2 7 j 3 3 2 焊丝的化学成分及力学性麓 1 、焊丝选用要点 堙弧焊接时，焊缝成分和性麓主要是囊焊丝耧焊剂共闻决定的。另外， 埋弧焊接时焊接电流大，熔深大，母材熔合比高，母材成分的影响大。所 以，焊接规范变化对，也会给焊缝成分和性髓带来较大影响。埋弧焊焊丝 的选择既要考虑焊剂成分的影响，又要考虑母材的影响。为了得到不同的 焊缝成分，可以采用一种焊剂( 主要是熔炼焊剂) 与几种焊丝配合；也可以采 爝一种焊丝与凡种焊剂主要是烧结焊剂) 配合。对于给定的焊接结构，应根 据钢种成分、对焊缝性能的要求及焊接规范大小的变化等进行综合分析之 后，髯决定所采麓的焊丝和焊裁。 2 、低碳钢用焊丝 由于焊缝中合金成分不多，故既可采用焊丝渗合金，也可采用焊剂渗 合金。通过焊剂向焊缝中过渡锰时，有和于改善焊缝的抗热裂纹能力和抗 天津大学硕：t 学位论文第三章脉冲埋弧横焊试验设备与条件 气孔性能；通过焊丝向焊缝中过渡锰时，有利于提高焊缝的低温韧性。 焊接低碳钢时多采用低碳焊丝，如h 0 8 a 等。h 0 8 a 是煺硫、磷含量低 的高级优质钢制成的含碳量约为0 0 8 的实芯焊丝。表3 3 是焊丝h 0 8 a 的 化学成分。 表3 - 3 焊丝h 0 8 a 的化学成分( ) 3 3 3 焊剂成分和性麓 s j l 0 1 焊裁是氟碱型烧结焊裁，其化学成分和配用焊丝和熔敷金疆力学 性能见表3 _ 4 。 表3 4s j1 0 1 焊剂的缱成成分( 姒) 表3 5s j l 0 1 焊剂配用焊丝和熔敷金属力学性能 s j l 0 1 焊剂的主要用途：工艺性能好，冲击韧性较高，可焊多种低合金 钢结梅，躲锅炉压力容器、管道、磊浊储罐等，霹爝于多丝埋弧焊。 3 3 4 焊缝接头型式与坡口尺寸 由于大型储罐钢板厚度主要范围是1 0 4 0 m m ，钢板厚度的跨度比较 太，因冀在开坡霞的时候，环向焊缝的坡霹形式一般隽：较薄翡钢板采用 单边v 型坡口，较厚的钢板采用双面坡口( k 型坡口) ，坡口角度4 5 2 5 。， 注：在鼹标g b t2 2 8 - - 2 0 0 2 瑟金溪誊季料室溢拉 枣试验方法中麓定，抗拉强度符号是 ，以代替ob ；嚣比例延伸强度符号是r p 0 2 ，以代替o0 2 ；伸长率符号是a ，以代替6 。 天津大学硬f 学位论文第三章脉冲埋弧横焊试验设钎与条件 组对间隙2 05 m m 钝边2 _ - 4 - 1 m m 。焊接时焊枪保持15 2 0 。的拉角，焊 丝伸出约2 0 m m ，薄板和厚板的坡口尺寸参见图3 - 9 ( a b 1 厚扳坡口实物参 见图3 - 9 ( c ) 。 铲释 ( n 薄板 c ) 2 0 r a m 厚板坡口实物 同3 - 9 炸缝坡n 不意图 n 1 厚扳 综上所迹，脉冲埋弧自动横焊试验设备与条件可归纳为表3 - 6 至袁3 7 。 单丝脉冲埋弧自动横烊与双丝脉冲埋弧自动横焊的主要k 别看干： ( i ) 双缝脉冲比单丝脉冲多了一什弧焊电源，双丝脉冲埋弧自动横焊的 两台弧焊电源只由一台双丝脉冲控制器协调控制。 ( 2 ) 脉冲控制器应j j 于单丝脉冲时，只启h 主从两路输出中的一路，而 应片j 于双缝脉冲时，主从两路输 b 都启州 ( 3 ) 双丝脉冲埋弧横的双丝分别位1 。上件的两侧，如图3 1 0 。 表3 - 6 单丝脉p p 焊试验 ( a ) 设备与条件l 母材材质i 母材扳材厚度l 焊丝型号l 焊缱直释l 焊刺 q 2 3 5 2 0 m m h 0 9 a u w - i ) l 32 帅 s j l 0 1 实验环境l 环境温度钝边l 坡n 角度坡口形式 室内无风l l5 无4 5 。 竹边半vj 目坡口 王 天津大学顾l 学位论支第= 章脉冲埋弧横焊试验设备与条件 f b l 殴器与条件2 材质 q 2 3 5 实验环境 室内无风 袁3 7 敢丝脉冲焊试验 ( a ) 设备与条件l 扳材厚度焊丝型号i 焊丝直径l焊剂 2 0 n a ms j l 0 1 环境温度钝边l 坡口角度l坡口形式 1 5 无 4 5 l 烈面坡口( k 型坡1 3 巾) 设各与条件2 主位机弧焊电螈 l i n c o l ne l e c v i ed c 6 0 0 副位机弧焊电源 l i n c o l ne l e e u i cd e a l a r cd c l 0 0 0 弧焊电源外特性 c v ( 甲特性) d cl i n c o l n w e l dn a 一3 a 送丝机及其控制箱 a u t o m a t i cw i r ef e e d e r 行走系统控制箱y s - - a g w 一】( 行走系统联动) 外挂控制器取丝脉冲控制器 3 4 本章小结 图3 一1 0 舣丝脉冲埤弧横的权丝位置 本章咀瑕丝脉冲控制器为拂调机构 焊车系统联台构建成脉冲埋弧横焊系统 把林肯系列弧焊电源和埋弧横焊 选择q 2 3 5 碳索结构钢作为母材， 天津大学硕士学位论文 第三章脉冲埋弧横焊试验设备与条件 焊丝选用h 0 8 a ，配以s j l 0 1 焊剂：坡口形式采用单边v 型坡口与双面坡口。 3 2 天津大学硕士学位论文第四章脉冲埋弧焊在石油储罐横焊位置叶1 的应用 第四章脉冲埋弧焊在石油储罐横焊位置中的应用 4 1 石油储罐的焊接 石油储罐的罐壁由多圈钢板组对焊接而成，钢板厚度沿罐壁的高度自 下而上逐渐减少，最小厚度为4 6 r a m 。嚣前，由于安装工艺的进步，罐壁 板主要采用对接焊缝形式，已很少采用搭接。 为确保焊接质量，对贮罐的爆缝应作如表4 1 的要求： 表4 1 焊接接头的外观质墩和力学性能要求 检骏顼量检验要求 焊接1 不得肖袭纹、分层、夹渣 坡口2 坡口向外2 0 m m 以内不得肖氧化物、油污、熔渣 焊缝1 焊缝深1 2 m m 时，余毫h = o 1 5 m m 余高2 1 2 m m 5 4 0 m p a 的钢材、c r - m o 低合金钢材、不锈钢制容器、t i 材及 咬边n i 材制压力容器、焊缝系数驴l 的容器、球形压力容器及低温压 质 力容器不允许有咬边 深长2 其它裙器咬边深度o 5 m m ：连续咬边长度l o o m m ； 量 两侧总长1 0 该焊缝长度 焊缝1 不得舂裂纹、气孔、弧坑、夹渣、熔渣、未焊遴、未熔含、飞 表面溅物 质量2 a 、b 类接头的焊缝被覆盏时，应打磨至与母材齐平 3 。c 、d 类接头的焊缝应圆潴过渡至母誊季 石油储罐的焊接需要填充大量熔敷金属，以一台1 5 万m 3 原油储罐为 例，仅罐壁板对接环焊缝需要填充的焊缝金属重量就达到豫人的6 6 吨， 所以需要采用埋弧自动横焊结合多层多道焊的焊接方法实现大量金属的填 充。采耀埋弧鸯动横焊工艺，由多台焊规溜罐壁隧蠲对称均毒，沿厨一方 向施焊。参见图4 1 ，图中a 是横焊机，b 是焊接电源。 图4 2 给出了埋弧自动横焊结合多层多道焊工艺的宏观焊缝剖面图，其 正面焊接时的顺序如图4 3 ；先焊打底焊道，如图4 。3 中焊道l ，再焊第二层 3 3 天津大学硕l 学位论立 第四章脉冲埠弧焊在石油储罐横焊值置中的应用 的填充焊道，如图4 - 3 中焊道2 和3 ，最后焊盖面焊道。 日 b 2 图4 1 环缝自动焊机及电源布置图 口。萨” 图4 2 多层多道焊宏观埠缝削而图 图4 - 3 多屁多道焊焊接顺序瞄 42 石油储罐横焊位置的脉冲埋弧焊试验、结果与分析 4 2 1 正交试验法 正交试验法也叫正交试验设计法，它是用“正交衷”来安排和分析多 因素问题试验的种数理统训方法。这种方法的优点是试骏次数少，效果 好，方法简单，倥用方便效率商。因此正交试验法布_ 业生产和科学 研究领域巾得到广泛地应用并且收到丁显著效果。 在研究石油储罐焊接这一复杂的问题中，包含者多种因素：脉冲参数( 焊 接电压峰值，电压基值，脉冲频率占空比等) ，焊接电流，焊接速度，焊 枪角度坡形式等等。我们把在试验中准备考察的有关影响试验指标的 条件称为因素，如脉冲频率：把在试验中准备考察的各种因素的不同状态 称为水平( 或位级) ，如脉冲频率f - 2 0 h z 7 0 h z 等；而且这些因素与并种水平 是互年 i 变织n 一起的。为了寻求最优化的生产条件，就必须对备种因素以 天津大学硕士学位论文 第四章脉冲埋弧焊襁石油储罐横焊位置巾的应用 及各种因素的不同状态进行试验，这就是多因素的试验问题。 现在希望通过试验对没有脉冲的普通埋弧横焊工艺和脉冲埋弧横焊工 艺进行对比，来判断消除咬边的机理是否能够通过脉冲埋弧焊工艺在横焊 位置的应用得以验证，并检验其应用的效果如何。 在进彳亍脉冲埋弧焊试验之前，首先需要通过大量实验确定单丝酱通埋 弧横焊工艺的最佳参数范围和参数上限。只有了解了在此最佳参数范围内 酶焊接效果彝超凌参数上限的焊接问题，才能和脉冲埋弧焊试验的结果进 行比较，来实现上述的验证和检验。 4 2 2 单丝普通埋弧横焊 1 、单丝普遥埋弧横焊打底焊 下面进行单丝普通埋弧横焊，首先按照表4 2 所示的工艺规范进行打底 焊。为了便于比较，表中列出了每次施焊的焊接热输入，并在图4 4 中给出 了部分焊缝成形的照片。考虑到设备等诸多因素，测量焊接速度的误差系 数是0 9 7 ，即焊接速度( 实际值) 焊接速度( 读数) - - 0 9 7 ，下文相同，不另注。 表4 。2 单丝普通埋弧横焊打底焊道工艺参数正交试验袭1 般而言，当把焊接热输入控铡在1 3 - 2 lk j c m 范围之内，以相闭的焊 接速度进行打底焊时，较大的焊接热输入有利于焊缝成形。如图4 4 ，焊接 速度同为4 5c m m i n 时，随着焊接热输入从1 4 。3k j c m 变化到1 8 5 6k j c m ，数 值越大，焊缝成形越好。这是因为在裙同时空条件下，较大的焊接热输入 可以使较多的熔敷金属过渡到焊缝，完成有效的填充和连接。表4 3 给出了 另外一缀打底焊实验数据，将与下文的单丝脉冲埋弧焊打底焊试验进行比 较。 3 5 天津太学硕士学位论义第四章脉冲埋弧焊在石油储罐 盏焊位置巾的应用 ( a ) 表扯2 试验编号4 科应的打底焊道的焊缝焊接热输入】43k j c m 巾)表“2 试验编号2 对应的打底焊道的焊缝+ 焊接热输入1 54 6k m ( c )表4 - 2 试验编号9 对麻的打底焊道的焊缝，焊接热输 1 85 6 1 d e r a 图4 - 4 焊接速度同为4 5c m m i n 时焊接热输八埘打底焊焊缝成形的影响 2 、单丝普通埋弧横焊填充焊 在单丝普通埋弧横焊t p ，填充焊的l 艺舰范比打底焊稍大，但是焊接 电压变化幅度很小，其影响小于焊接电流和焊接速度的影响。这里按表4 4 所示的工艺规范进行填充焊。以焊接速度5 5c m m i n 作为考察对象。继续考 天律大学砸l 学位论文第四审脉冲埋孤埠在石油赭罐横焊位置中的应用 察相同焊接速度条件下的焊接热输入与焊缝成形的关系。当把焊接热输入 控制在1 4 2 2k j c m 范围之内，以相同的焊接速度进行打底焊时，较大的焊 接热输入仍然有利于焊缝成形。如图4 - 5 ，焊接速度为5 5c m m i n 时，随着焊 接热输入从1 30 5k j c m 变化到1 85 6k j c m ，数值越人，焊缝成形越好。表4 4 所示的宴验数据将与下文的单丝脉冲埋弧焊填充焊试验进行比较。 表4 4 雌丝普通埋弧横焊填光焊道工艺参数一交试验表 f a l 表试验编号2 2 埘麻的填充焊道的焊缝，焊接热输入1 30 5k j e r a f b l 袅4 4 试验编号2 0 对应的填克焊道的焊缝焊接热输入1 4 9 6k j c m 表“试验编号2 7 对应的填充焊道的焊缝焊接热输入1 85 6 l o c m 图4 - 5 焊接速度删为5 5c m r a i n 时焊接热输 埘填先焊焊缝成形的影响 3 、单丝普通埋弧横焊盖面焊 订：押底、填充、盖面二种焊道中i f 打底、填充形成的焊缝会在后 天津大学硕，l ：学位论文第四章脉冲埋弧焊在石油储罐横焊位置中的应用 面的焊接中重新熔化、凝固、成形，所以打底焊和填充焊不怕咬边，但是 盖瑟焊时，不仅焊接速度大，容易出现咬边，丽且盖露焊之后没有其它焊 接工序，一旦出现咬边，无法修复。正因为这样，研究的重点必须放在盖 面焊道。下面按照表4 5 至表4 7 所示的工艺规范进行单丝普通埋弧横烬的盖 面焊。 表4 ，5荸丝普逶埋弧横焊盖面焊遵工艺参数正交试验袭l 。 通过大量实验发现，在焊接电流大于3 8 0 a 时，要求配以4 5c m m i n 以上 的焊接速度，这些工艺规范下的焊缝成形并不理想，咬边倾向比较明显， 如蚕4 6 和图4 7 所示。这是因力电弧力随着焊接电流的增大