1、X65 管线钢窄坡口旋转电弧焊焊接工艺与性能罗雨，吉天亮，高萌萌，王东尧（北京石油化工学院，北京102617）摘要：针对油气管道窄坡口焊接普遍存在的侧壁未熔合问题，开展了 X65 管线钢窄坡口旋转电弧焊接工艺与性能的研究。搭建了 X65 管线钢板旋转电弧试验系统，利用高速摄像同步采集系统对旋转电弧熔滴行为进行了研究，分析了旋转电弧频率对熔滴过渡的影响。通过焊缝截面形貌的宏观金相观察，研究了窄坡口旋转电弧 GMAW 旋转频率对焊缝成形的影响。结果表明，高频旋转电弧加快了熔滴的过渡频率，减小了熔滴尺寸，促进了熔滴过渡过程。当旋转频率在 530Hz 范围内时，能获得良好的焊缝成形。在旋转电弧的高频搅
2、拌作用下，所获得的焊缝表面纹路十分致密，且焊接接头具有良好的抗拉伸性能和抗弯性能。关键词：旋转电弧；熔滴过渡；焊缝成形；窄坡口中图分类号：TG444文献标识码：Adoi：10.12073/j.hj.20220921005Welding process and properties of X65 pipeline steel bynarrow groove rotating arc weldingLuoYu,JiTianliang,GaoMengmeng,WangDongyao(BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology,Beijing102617,Chi
3、na)Abstract：Forthecommonproblemofside-wallincompletefusioninnarrowgrooveweldingofoilandgaspipelines,weldingprocessandpropertiesofX65pipelinesteelbynarrowgrooverotatingarcweldingwerestudied.RotatingarcexperimentalsystemofX65pipelinesteelplatewasbuilt,high-speedcamerasynchronousacquisitionsystemwasuse
4、dtostudybehaviorofrotatingarcdroplet,andinfluenceofrotatingarcfrequenciesondroplettransferwasanalyzed.Throughmacroscopicmetallographicobservationofweldsectionmorphology,influenceofrotationfrequencyofnarrowgrooverotatingarcGMAWonformationofweldwasinvestigated.Theresultsshowedthathigh-frequencyrotatin
5、g arc accelerated transfer frequency of droplet,reduced size of droplet,and promoted transfer process of droplet.When rotationfrequencywasintherangeof530Hz,goodformationofweldcouldbeobtained.Undertheactionofhigh-frequencystirringofrotatingarc,surfacetextureoftheobtainedweldwasverydense,andweldedjoin
6、tshadgoodtensileandbendingproperties.Key words：rotaryarc,droplettransfer,formationofweld,narrowgroove0前言窄坡口焊接相比传统的焊接方式，有着更快的熔池冷却速度、更小的热输入，这对焊缝组织、热影响区及接头的力学性能都有着积极的影响。采用窄坡口的焊接工艺，既节约了焊材，又降低了生产成本，又提高了生产效率14。目前，窄坡口焊接技术在厚壁管道、压力容器、船舶潜艇及核工业等领域得到了广泛的应用，特别是在厚壁、高强钢结构等方面有着更为广阔的应用前景58。在窄坡口焊接过程中，焊接电弧与坡口侧壁基本平行，导致
7、坡口侧壁热输入难以使母材熔化，从而造成未熔合缺陷的出现，严重影响了焊缝成形及力学性能。为解决上述问题，学者们提出了一种利用机械运动或外加旋转磁场的方收稿日期：20220921基金项目：国家自然科学基金资助项目（51305037）试验研究Research Paper262023 年第 7 期式，带动电弧及焊丝在窄坡口内旋转，从而达到增加侧壁热输入、促进侧壁熔合的目的。为实现旋转电弧方式下的窄坡口焊接，Sugitani等学者9及 Iwata 等学者10通过一种特殊的偏心导电嘴结构实现了电弧的旋转焊接，但实现电弧高速旋转的同时，也带来了导电嘴磨损严重的问题。王加友等学者11利用一种空心轴电机驱动偏心
8、导电嘴的方式，在改善焊枪结构之余，还实现了旋转电弧焊接的过程。哈尔滨工业大学的学者1216为解决偏心导电嘴的磨损问题，研制了一种可进行锥形结构旋转的焊枪，并在此焊枪的基础上，展开了窄坡口焊接电弧行为及基于旋转电弧 MAG 横焊时熔池下榻控制的研究。上述学者的研究表明：采用旋转电弧的焊接方式能较好地解决窄坡口侧壁未熔合的问题。但对于X65 管线钢窄坡口焊接过程中电弧旋转频率与熔滴过渡形式、熔滴尺寸的影响规律鲜有涉及。鉴于此，该文采用高速摄像系统对旋转电弧的 X65 管线钢窄坡口焊接过程进行拍摄，分析在坡口不同位置处，不同旋转频率对熔滴过渡过程的影响，讨论了旋转电弧优化焊接接头质量的基本原理。1试
9、验设备与材料焊接电源采用的是 TPS4000 全数字化逆变电源，能适用于一元化直流、脉冲、TIG 等多种焊接方式，且最大送丝速度为 20m/min，最大焊接电流为 400A，能满足绝大部分工况下的焊接任务。采用圆锥摆旋转电弧焊枪，最大转速可达 5500r/min，并且可以实时调节旋转速度、旋转方向及旋转直径等焊接工艺参数，实物图如图 1 所示。采用的焊接过程高速摄像AcuteyeV4.0 系统，可实现以 4000 帧/s 的速度进行长达 15min 的连续跟踪拍摄。焊接试验原理如图 2 所示。图1旋转电弧焊枪高速摄像机AcuteyeV4.0焊接工件工控机(焊接控制系统)(高速图像采集)焊接电源
10、旋转电弧焊枪(左)(右)(中心)图2焊接原理示意图焊接试验选用母材为 X65 高强钢，选用焊材为1.0mm 的 ER80S-G 实心焊丝，焊接过程中保护气体为 80%Ar+20%CO2混合气体。在焊接试验前，需先用丙酮除去待焊坡口处的油污，用砂轮机将坡口附近的铁锈、氧化膜等杂质去除，防止气孔、夹渣等焊接缺陷的产生。坡口形式如图 3 所示。5.76.0R1.093图3坡口尺寸2试验结果与分析2.1旋转电弧对熔滴过渡的影响由于旋转电弧焊丝的旋转采用空轴电机驱动偏心导电嘴的方式，摆脱了传统机械直摆往复传动的限制，旋转频率可轻松达到几十赫兹。随着旋转频率的升高，由旋转所产生的离心力也随之成比例增大，这
11、必然对焊接过程中的熔滴大小及熔滴过渡方式产生一定的影响。为了保证焊接质量与焊接过程熔滴过渡的稳定，必须对电弧旋转频率与熔滴过渡之间的影响机理有一个准确的认识。该文采用高速摄像的方式，对整个焊接过程，尤其是熔滴的形态与过渡形式进行连续跟踪拍摄，同时，考虑到焊接中起弧与停弧时的不稳定因素，只选取焊缝的中间稳定部分进行观察与分析。焊接工艺参数见表 1。Research Paper试验研究2023 年第 7 期27表 1 焊接工艺参数送丝速度 vf/(mmin1)焊接速度 vw/(cmmin1)焊丝伸出长度 l/mm保护气体流量 Q/(Lmin1)旋转半径 y/mm8.53512252当旋转频率处于低
12、频段(510Hz)时，以高速摄像拍摄的焊接熔滴的过渡情况如图 4 所示。从熔滴的过渡形态可以看出，熔滴在坡口的不同部位呈现出周期性的变化，在旋转电弧的离心力作用下，熔滴的过渡形式从滴状过渡到射流过渡。由于电弧转动的频率很低，焊丝的末端和在坡口底部燃烧的电弧基本处于同一轴线上，熔滴沿电弧轴线向熔池过渡。图 5 为 5Hz 旋转频率下的坡口中心处熔滴过渡行为。旋转电弧由侧壁向坡口中心运动过程中，熔滴过渡方式完成了由射流过渡到滴状过渡的转变，(a)t=2.25 ms(b)t=2.50 ms(c)t=2.75 ms(d)t=3.00 ms(e)t=3.25 ms(f)t=3.50 ms(g)t=3.7
13、5 ms(h)t=4.00 ms图45Hz 旋转频率下的坡口侧壁处熔滴过渡行为(a)t=2.75 ms(b)t=3.00 ms(c)t=3.25 ms(d)t=3.50 ms(e)t=3.75 ms(f)t=4.00 ms(g)t=4.25 ms(h)t=4.50 ms图55Hz 旋转频率下的坡口中心处熔滴过渡行为试验研究Research Paper282023 年第 7 期且熔滴的大小与焊丝的直径基本吻合。具体可描述为：在旋转焊接电弧作用下，焊丝的末端会熔化形成一个与其自身直径相当的熔滴，最终沿电弧轴线方向以滴状方式过渡进入熔池。当旋转频率在 2030Hz 范围内时，旋转频率与熔滴所受离心力
14、呈正相关，如图 6 和图 7 所示。从图 6和图 7 中不难看出，在旋转电弧的作用下，焊丝末端熔化并产生了一根细长的金属液柱，这种液柱可以减弱熔滴过渡的阻力，从而加速熔滴转换的进程，这迫使熔滴还未生长到最大，就与焊丝以一定的角度脱离进入到焊接熔池。当焊枪设定的旋转频率处在 3050Hz 的高频段时，如图 8 所示。焊接过程变得极不稳定。焊接电弧在高频旋转所产生的离心力作用下，极易与窄坡口的侧壁发生短路，导致大量坡口底部的熔融金属过渡到侧壁，严重影响焊缝的成形与质量。采用 Image 图像处理软件，以量化的方式对旋转电弧焊接过程中熔滴过渡形式进行评估，探究在不同的电弧旋转频率下焊接过程中熔滴尺寸
15、与数量的变化规律。为保证试验数据的准确性与代表性，只取焊接电弧稳定后的 5 个旋转周期内的熔滴尺寸，以及焊接电弧稳定后连续 400 张图像中的熔滴个数，最后以 Origin 作图的方式，分别绘制出旋转频率与熔滴尺寸、熔滴个数的关系图，具体如图 9 和图 10 所示。从图 9 和图 10 可以看出，电弧旋转频率在中、低频段时，熔滴尺寸下降的趋势比高频段更加明显，熔滴尺寸总体上随着旋转频率的升高而逐渐变小；而熔滴个数的变化规律与之恰恰相反，电弧旋转频率在中、(a)t=2.50 ms(b)t=2.75 ms(c)t=3.00 ms(d)t=3.25 ms(e)t=3.50 ms(f)t=3.75 m
16、s(g)t=4.00 ms(h)t=4.25 ms图620Hz 旋转频率下的熔滴行为(a)t=2.25 ms(b)t=2.50 ms(c)t=2.75 ms(d)t=3.00 ms图730Hz 旋转频率下的熔滴行为Research Paper试验研究2023 年第 7 期29低频段(530Hz)时，熔滴个数的增长速度明显优于高频段(3050Hz)，熔滴数量总体上随着旋转频率的升高而逐渐增大。2.2旋转频率对焊缝宏观形貌的影响由 2.1 小节中的分析与结论可知，旋转电弧可通过旋转频率的变化来改变焊接过程中的熔滴大小与熔滴数量，进而影响熔滴过渡的形式。该小节拟采用表 1 的焊接工艺参数，探究不同电弧旋转频率下焊缝成形的影响规律。图 11 为不同电弧旋转频率对焊缝宏观形貌的影响。由图 11 可知，以旋转频率 30Hz为界限，当旋转频率低于 30Hz 时，都能获得表面纹路致密且外观形貌良好的焊缝。随着旋转频率的升高，焊接熔池产生的飞溅明显增多、焊缝形貌越来越差，整个焊接过程开始变得愈发难以控制，如图 11e图所示。从宏观金相分析的角度来说，衡量一个焊缝接头质量的优劣，一般从焊缝外观成形、底部熔
