長輸管道焊接材料工藝性和電弧物理特性研究.pdf

1、以石油和天然氣輸送管道為主的長輸管道建設(shè)正在世界范圍內(nèi)不斷發(fā)展壯大。焊接技術(shù)在長輸管道的野外安裝工程中一直扮演著重要的角色。在眾多的長輸管道野外焊接施工技術(shù)中，管道復(fù)合焊接技術(shù)，即采用纖維素焊條打底自保護(hù)藥芯焊絲填充、蓋面的焊接技術(shù)，得到了較為普遍的應(yīng)用。在這一管道復(fù)合焊接技術(shù)中被大量采用的纖維素焊條和自保護(hù)藥芯焊絲，要求具有全位置立向下焊接工藝性和優(yōu)良的焊接接頭性能，在全世界僅有為數(shù)不多的幾個(gè)廠家生產(chǎn)，該類產(chǎn)品的焊接工藝性能和接頭力學(xué)

2、性能仍在持續(xù)改進(jìn)中。
　　 焊接材料的電弧物理特性，包括熔滴過渡模式，熔滴過渡機(jī)理，電弧行為及電弧參數(shù)特征等，是指導(dǎo)焊接材料工藝性能和力學(xué)性能改進(jìn)的最重要理論之一，也是實(shí)現(xiàn)科學(xué)和定量評價(jià)焊接材料工藝性的必要理論基礎(chǔ)。然而，長輸管道焊接材料電弧物理理論的研究相對不足，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于該類焊接材料研發(fā)和改進(jìn)的實(shí)踐。因此，深入研究長輸管道焊接材料熔滴過渡規(guī)律和電弧行為參數(shù)特征，揭示該類焊接材料工藝性和其電弧物理特性的關(guān)系，進(jìn)而指導(dǎo)該類焊接材

3、料的研發(fā)，以及工藝性定量評價(jià)，具有十分重要的工程應(yīng)用價(jià)值和學(xué)術(shù)理論意義。
　　 針對長輸管道焊接材料工藝性能改進(jìn)和分析評價(jià)，主要采用工藝性試驗(yàn)方法、高速攝影/攝像方法、漢諾威焊接參數(shù)采集分析方法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法，設(shè)計(jì)系統(tǒng)試驗(yàn)研究方案，在工藝性試驗(yàn)研究，熔滴過渡模式確認(rèn)分析，電弧電壓和焊接電流參數(shù)采集及統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上，深入分析探討焊接材料工藝性和熔滴過渡關(guān)系，熔滴過渡和電弧參數(shù)關(guān)系，并使用數(shù)學(xué)方法通過電弧參數(shù)分析評價(jià)焊接材料的工

4、藝性。研究得出以下主要結(jié)論：
　　 SiO2和FeO降低纖維素焊條熔渣熔點(diǎn)，并且SiO2的作用最顯著；TiO2和MgO提高熔渣熔點(diǎn)，但是影響不顯著。應(yīng)嚴(yán)格控制SiO2和FeO的含量，TiO2、MgO含量可以適當(dāng)波動(dòng)。提高熔渣熔點(diǎn)的最佳組合為FeO:9wt％,TiO2：24wt％,MgO:18wt％,SiO2含量應(yīng)降到最低。
　　 采用具有高溫分解氣體的藥皮組成物，如碳酸鹽、纖水鎂石等，對提高焊條電弧吹力、改進(jìn)立向下焊接操

5、作性具有關(guān)鍵作用；采用超低模數(shù)和適當(dāng)濃度的水玻璃是解決焊條壓涂性的關(guān)鍵，試驗(yàn)得出的結(jié)論為：當(dāng)模數(shù)為2.0，濃度約在26～28wt％范圍內(nèi)時(shí)，濕藥粉的粘性、彈性、和流動(dòng)性最佳，焊條表皮光滑致密，最有利于壓涂生產(chǎn)。
　　 纖維素焊條熔滴過渡模式為：細(xì)顆粒和大顆粒噴射過渡，爆炸過渡，短路過渡。飛濺形式為大顆粒偏飛、爆炸飛濺和小顆粒噴灑飛濺。熔滴的形成、長大，直到發(fā)生過渡、爆炸或偏飛具有明顯的周期性特征，而細(xì)顆粒的噴射過渡或飛濺則伴隨焊

6、條燃燒全過程。大熔滴偏飛是該焊條的主要飛濺模式，在立向下焊接位置時(shí)尤其嚴(yán)重。研究表明，纖維素焊條較強(qiáng)的規(guī)律性的顆粒噴射過渡，有利于電弧穩(wěn)定性，立向下焊接操作性，單面焊雙面成形，提高熔敷效率，是纖維素焊條獲得優(yōu)良工藝性的保證。而纖維素焊條大熔滴顆粒的偏飛是造成電弧不穩(wěn)定，熔敷效率低等惡劣工藝性的主要原因。這一結(jié)論對纖維素焊條的研發(fā)，特別是對其工藝性的改進(jìn)具有重要的參考和啟示作用。
　　 自保護(hù)藥芯焊絲熔滴過渡模式為：弧橋并存過渡，

7、電弧排斥過渡，顆粒過渡，其中弧橋并存過渡可細(xì)分為表面張力過渡和爆炸過渡?；虿⒋孢^渡是熔滴或渣柱與熔池接觸形成的過渡橋和持續(xù)燃燒電弧同時(shí)存在的一種過渡模式，是自保護(hù)藥芯焊絲的主要過渡模式，尚未見報(bào)道?；虿⒋姹砻鎻埩^渡通過“橋”的表面張力作用實(shí)現(xiàn)熔滴過渡，沒有爆炸，不產(chǎn)生飛濺；弧橋并存爆炸過渡，由于電弧的分流作用，其爆炸飛濺較小。因此弧橋并存過渡是自保護(hù)藥芯焊絲理想的過渡模式。試驗(yàn)分析得出，弧橋并存過渡頻次越高，弧橋并存過渡時(shí)間越長，

8、工藝性越好。
　　 提出基于漢諾威弧焊質(zhì)量分析的，以短路電壓概率密度和Σn(Us)、短路電流概率密度和Σn(Is)以及短路頻次和∑n(T1)為判據(jù)的纖維素焊條焊接工藝性評價(jià)方法。電弧電壓的傅立葉變換數(shù)學(xué)分析表明，電壓信號(hào)的主頻可表征短路過渡形態(tài)，主頻頻率和短路過渡頻次基本吻合，可以用短路過渡的主頻評價(jià)焊條工藝性。
　　 針對自保護(hù)藥芯焊絲弧橋并存過渡的特點(diǎn)，確定采用低于17.5V，持續(xù)時(shí)間大于0.5ms的電壓值表征自保護(hù)

9、藥芯焊絲弧橋并存過渡?；趯虿⒋孢^渡頻次和過渡時(shí)間數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，并通過數(shù)學(xué)方法可以計(jì)算出描述自保護(hù)藥芯焊絲弧橋并存過渡持續(xù)時(shí)間的特征值t50。自保護(hù)藥芯焊絲弧橋并存過渡數(shù)量越多，特征值t50越大，工藝性越好，這與工藝性試驗(yàn)結(jié)果一致。
　　 采用焊接電弧電壓和電流的標(biāo)準(zhǔn)偏差，以及變異系數(shù)δU和δI可以分析評價(jià)自保護(hù)藥芯焊絲電弧穩(wěn)定性。采用相應(yīng)的電壓偏差直方圖能夠更直觀地評價(jià)焊條的電弧穩(wěn)定性。瞬時(shí)電壓電流U-I圖可以直觀分