送丝稳定性对直缝埋弧焊管质量的影响

王立柱，路荣朝，刘 涛，王林林，陈 龙，吴红星，王 军

（1.巨龙钢管有限公司，河北 青县062658；2.曹妃甸新天液化天然气有限公司，河北 唐山063000；3.南京巨龙钢管有限公司，江苏 南京210061）

焊丝是直缝埋弧焊管生产中使用的主要焊接材料，焊丝质量对焊管的焊接质量起到重要作用。焊缝金属是由母材、焊丝、焊剂三者熔化后凝固形成的；因此，焊丝化学成分对焊缝的强度、韧性、塑性、化学成分、硬度、耐腐蚀性等都有很大影响［1-4］。焊丝外形尺寸对焊接质量也有影响。焊丝直径偏大时，焊接过程中容易卡丝；焊丝直径偏小时，焊丝与导电嘴接触不好，导电性差，电压波动大，焊缝中易产生夹渣、咬边等缺陷；焊丝有硬弯或接头时，焊接过程中容易卡丝，产生断弧，严重时导电嘴会产生烧损，焊缝产生铜裂纹［5］。

在自动焊中，送丝稳定性对焊接过程和焊接质量有重要影响，送丝速度必须与焊丝的熔化速度保持动态平衡，以保证适当的弧长以及焊接过程的稳定［6-10］。查找并排除焊接系统中存在的导致送丝不稳定的因素，减少焊接过程中因送丝速度波动产生的焊接缺陷，是提高焊接质量及生产效率的保障。

1 生产实例

（1）案例1。焊接直缝埋弧焊管时，使用了350 kg/卷的层绕焊丝，在使用A厂生产的焊丝时没有问题，在换用B厂生产的焊丝时，最后两层频繁出现卡丝情况。调查发现，B厂生产的焊丝卷宽度比A厂的宽，而焊丝盘没有宽度调节的功能，焊丝会卡在活动挡板与固定轴之间的空隙中。为避免类似情况，对焊丝盘做了改进：将焊丝盘固定轴延长10 mm，在活动挡板内侧开一个略大于固定轴直径深15 mm的孔，焊丝宽度发生变化时，消除活动挡板与固定轴之间的空隙。焊丝盘改进之后，在使用不同厂家生产的焊丝时，不再出现类似卡丝的情况。改进前后的层绕焊丝盘结构如图1所示。

图1 改进前后的层绕焊丝盘结构示意

（2）案例2。生产Φ610 mm×8 mm小直径薄壁直缝埋弧焊管时，预焊使用Φ3.2 mm焊丝，焊接电流850 A，外坡口深度2.7 mm，预焊后外坡口已被填满，外焊时无法自动跟踪，且外焊缝高度超过3.5 mm。为降低预焊焊缝高度，预焊换用Φ2.4 mm焊丝，电流650 A，焊接过程中电流波动很大，焊缝忽高忽低，表面气孔较多。分析认为，产生这种情况的原因是送丝轮V型槽太深，送丝不稳定。将送丝轮送丝范围由Φ2.4～5.6 mm调整为Φ1.6～2.4 mm后，焊接过程稳定，焊缝高度均匀。

（3）案例3。在生产一批Φ1 016 mm×21 mm直缝埋弧焊管时，内焊缝出现夹渣，如图2所示，夹渣位于内焊缝二丝熔合线的位置。对有夹渣的直缝埋弧焊管进行统计，出现夹渣的大部分直缝埋弧焊管都是由同一套内焊机组焊接的。现场调查得知，焊接过程中有时二丝电压会有突然变大又回到正常值的情况。检查焊丝，未发现有接头或硬弯等引起卡丝的缺陷存在；检查送丝系统，发现送丝机压紧轮转动不灵活，更换压紧轮后夹渣情况消失。

图2 Φ1 016 mm×21 mm直缝埋弧焊管内焊缝夹渣形貌

（4）案例4。由于直缝埋弧焊管的规格多，壁厚范围大，所以焊接参数变化比较大，生产中要经常根据焊管规格选用不同直径的焊丝，以满足焊接工艺的需求。但经常出现粗丝换成细丝后焊接电压波动大，焊缝咬边较多的情况。检查发现，焊丝上的送丝齿痕较浅，且齿痕大小不均匀，更换新的送丝轮后，电压正常，咬边消除［11-12］。

2 原因分析

送丝稳定性是指电动机输入功率或送丝阻力发生变化时，保持送丝速度恒定不变的性能。送丝稳定性一方面与送丝电动机的机械特性及拖动电路的控制精度有关；另一方面又与焊丝送进过程中的阻力、送丝轮结构及送丝轮对焊丝驱动方式等有关［13］。直缝焊管多丝埋弧焊使用焊丝大多是Φ3.2 mm或Φ4.0 mm粗焊丝，采用陡降特性电源，匹配变速送丝，使用带齿的V型轮驱动，送丝速度是由给定电压作为基准信号，并用电弧电压负反馈信号进行调节。电弧稳定燃烧的条件是焊丝的熔化速度等于送丝速度。送丝系统由焊丝盘、导丝管、送丝机、送丝轮、压紧轮、校直轮、送丝软管、导电杆、导电嘴组成，这些组成部分中的任意一项有异常都会引起送丝速度产生波动，从而导致焊缝产生缺陷。

案例1中，焊丝盘的结构只适应单一宽度的层绕焊丝。焊丝卷宽度变大后，活动挡板与固定轴之间产生空隙，焊丝进入空隙中容易产生卡丝；焊丝卷宽度变小后，焊丝无法夹紧，送丝过程中焊丝易跳出焊丝盘挡板，产生卡丝或接地。更改活动挡板与固定轴的结构后，焊丝卷的宽度在一定范围内产生变化时，都能保证焊丝夹紧并且活动挡板与固定轴之间没有空隙，避免卡丝。

案例2中，预焊采用CO2+Ar气体保护焊，使用的是平特性电源，通过改变焊接电流调节电弧长度。Φ2.4～5.6 mm送丝轮虽然能够送进Φ2.4 mm焊丝，但是由于两片送丝轮组对后形成的V型槽较深，当送丝轮、压紧轮稍有磨损，送丝轮与压紧轮之间的距离接近焊丝直径，焊丝上的接触压力偏小，不足以克服送丝阻力，送丝速度波动导致焊接电流不稳定，焊缝成型不好。将送丝轮送丝范围缩小后，两片送丝轮组对后形成的V型槽较浅，焊丝上的接触压力增大，足以克服送丝阻力，所以焊接电流稳定。

案例3中，送丝机压紧轮是一个轴承辊，通过弹簧调节焊丝上的压紧力。压紧轮长期使用后，轴承会因磨损导致转动不灵活，送丝阻力变大，送丝速度降低，焊接电弧拉长，电压增高。更换新的压紧轮后，轴承转动灵活，送丝阻力小，送丝速度稳定，焊接电弧能保持一定长度，电压稳定。送丝机结构如图3所示。

图3 送丝机结构示意

案例4中，两片送丝轮组成一个带齿的V型槽，送丝过程中会在焊丝上形成两列齿痕，当两列齿痕深浅一致，每个齿痕长度相同，相邻齿痕之间的间距相同时，送丝速度稳定。送丝轮在送丝过程中也会有一定的磨损，送丝轮上会产生一圈凹痕，焊丝直径不同时，凹痕的曲率不同，粗焊丝在送丝轮上产生的凹痕曲率小，细焊丝在送丝轮上产生的凹痕曲率大。使用粗焊丝时，随着送丝轮的磨损，凹痕会向着V型槽的底部移动，送丝轮磨损到一定程度后，粗焊丝的凹痕与细焊丝的凹痕重叠到一起，再更换细焊丝时，由于送丝轮已磨损出一部分曲率比较小的凹痕，焊丝与送丝轮接触面积变小，送丝机传递到焊丝上的送丝力矩变小，而送丝系统中的阻力不变，从而引起送丝速度波动，导致电压不稳。送丝轮磨损情况对比如图4所示。

图4 送丝轮磨损情况对比

3 结 论

综上所述，焊丝及送丝系统对直缝埋弧焊管焊接质量有较大影响；因此，要保证直缝埋弧焊管的焊接质量，对焊丝质量及送丝系统有以下要求：①焊丝表面不能有油或锈；②焊丝中不能有硬弯、接头；③送丝轮、压紧轮磨损后及时更换；④由粗丝换成细丝时要更换送丝轮；⑤选用与焊丝直径相适应的送丝轮，避免用到送丝范围的下限。

焊接直缝埋弧焊管时，送丝系统中存在一定的阻力，送丝驱动力大于阻力才能保证焊丝的持续、稳定送进。要保证送丝驱动力有两个条件：一是压紧轮给焊丝足够的压力，二是送丝轮与焊丝有足够的接触面积。送丝阻力的大小与焊丝及送丝系统有关，焊丝本身存在的硬弯、接头及送丝系统中焊丝盘、送丝轮、压紧轮、送丝管等零部件的磨损，都会导致送丝阻力增加。查找并消除导致送丝阻力变大的因素，更换送丝系统中磨损严重的零部件，保证送丝速度的稳定性，是提高直缝埋弧焊管焊接质量及生产效率的有效措施。