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正在世界范圍內不斷發(fā)展壯大。焊接技術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中，管道復合焊接技術，即采用纖維素焊條打底自保護藥芯焊絲填充、蓋面的焊接技術，得到了較為普遍的應用。在這一管道復合焊接技術中被大量采用的纖維素焊條和自保護藥芯焊絲，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)不多的幾個廠家生產，該類產品的焊接工藝性能和接頭力學

2、性能仍在持續(xù)改進中。
　　 焊接材料的電弧物理特性，包括熔滴過渡模式，熔滴過渡機理，電弧行為及電弧參數(shù)特征等，是指導焊接材料工藝性能和力學性能改進的最重要理論之一，也是實現(xiàn)科學和定量評價焊接材料工藝性的必要理論基礎。然而，長輸管道焊接材料電弧物理理論的研究相對不足，遠遠落后于該類焊接材料研發(fā)和改進的實踐。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系，進而指導該類焊接材

3、料的研發(fā)，以及工藝性定量評價，具有十分重要的工程應用價值和學術理論意義。
　　 針對長輸管道焊接材料工藝性能改進和分析評價，主要采用工藝性試驗方法、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)計分析方法，設計系統(tǒng)試驗研究方案，在工藝性試驗研究，熔滴過渡模式確認分析，電弧電壓和焊接電流參數(shù)采集及統(tǒng)計分析基礎上，深入分析探討焊接材料工藝性和熔滴過渡關系，熔滴過渡和電弧參數(shù)關系，并使用數(shù)學方法通過電弧參數(shù)分析評價焊接材料的工

4、藝性。研究得出以下主要結論：
　　 SiO2和FeO降低纖維素焊條熔渣熔點，并且SiO2的作用最顯著；TiO2和MgO提高熔渣熔點，但是影響不顯著。應嚴格控制SiO2和FeO的含量，TiO2、MgO含量可以適當波動。提高熔渣熔點的最佳組合為FeO:9wt％,TiO2：24wt％,MgO:18wt％,SiO2含量應降到最低。
　　 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、改進立向下焊接操

5、作性具有關鍵作用；采用超低模數(shù)和適當濃度的水玻璃是解決焊條壓涂性的關鍵，試驗得出的結論為：當模數(shù)為2.0，濃度約在26～28wt％范圍內時，濕藥粉的粘性、彈性、和流動性最佳，焊條表皮光滑致密，最有利于壓涂生產。
　　 纖維素焊條熔滴過渡模式為：細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尤其嚴重。研究表明，纖維素焊條較強的規(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。這一結論對纖維素焊條的研發(fā)，特別是對其工藝性的改進具有重要的參考和啟示作用。
　　 自保護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分為表面張力過渡和爆炸過渡。弧橋并存過渡是熔滴或渣柱與熔池接觸形成的過渡橋和持續(xù)燃燒電弧同時存在的一種過渡模式，是自保護藥芯焊絲的主要過渡模式，尚未見報道?；虿⒋姹砻鎻埩^渡通過“橋”的表面張力作用實現(xiàn)熔滴過渡，沒有爆炸，不產生飛濺；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藥芯焊絲理想的過渡模式。試驗分析得出，弧橋并存過渡頻次越高，弧橋并存過渡時間越長，

8、工藝性越好。
　　 提出基于漢諾威弧焊質量分析的，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方法。電弧電壓的傅立葉變換數(shù)學分析表明，電壓信號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焊條工藝性。
　　 針對自保護藥芯焊絲弧橋并存過渡的特點，確定采用低于17.5V，持續(xù)時間大于0.5ms的電壓值表征自保護

9、藥芯焊絲弧橋并存過渡。基于對弧橋并存過渡頻次和過渡時間數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計分析，并通過數(shù)學方法可以計算出描述自保護藥芯焊絲弧橋并存過渡持續(xù)時間的特征值t50。自保護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，這與工藝性試驗結果一致。
　　 采用焊接電弧電壓和電流的標準偏差，以及變異系數(shù)δU和δI可以分析評價自保護藥芯焊絲電弧穩(wěn)定性。采用相應的電壓偏差直方圖能夠更直觀地評價焊條的電弧穩(wěn)定性。瞬時電壓電流U-I圖可以直觀分