热输入量对熔化极气体保护焊焊缝质量的影响

李俊飞,豆虎林,张世磊,赵鹃,王建云

摘要：为改善压力钢管的熔化极气体保护焊（GMAW）环缝质量，为现场环缝焊接工艺参数制定提供技术指导，通过控制熔化极气体保护焊的热输入量，焊接Q355NC材质压力钢管环缝，结合超声或磁粉检测分析焊缝的外观及内部质量，找寻适合Q355NC钢材的最优热输入量电流电压参数，提高焊缝整体性能。

关键词：熔化极气体保护焊； 热输入量； 焊缝质量

Effect of heat input on weld quality of GMAW

In order to improve the quality of circumferential seam of GMAW of penstock and provide guidance for the formulation of on-site circumferential seam welding process parameters, by controlling the heat input of GMAW, after welding the circumferential seam of q355nc penstock, combined with ultrasonic or magnetic particle inspection, analyze the forming quality of the weld, find out the optimal heat input suitable for q355nc steel and improve the overall performance of the weld.

Keywords: gas metal arc welding; Heat input; Weld quality

引言

焊接作为一种成熟的能够将同种材料或异种材料通过原子间力的作用结合在一起的连接技术，具有比铆接、榫接等传统方式更加高效的性能，它的连接性能更加稳定，同时具有质量轻、不松脱等一系列优异的性能，被用于工业、医疗、生活的方方面面[1]。如今随着经济建设的加快，水资源问题一直困扰着云南广大缺水地区，为了解决这个问题通过压力管道输水的方式被提上日程，由于历史的原因，长期以来我国的管道建设基本采用手工电弧焊或半自动的焊接方法，焊接质量主要依靠焊工的技术水平，由于焊缝缺陷引起的焊缝失效事故近年来层出不穷，在对管道焊缝检测过程中发现大量焊缝存在质量问题，以往的手工电弧焊和半自动焊等焊接工艺已无法满足建设需求，熔化极气体保护焊是长距离输水管道最适用的焊接方法，一般采用自动或机械方式，效率高，质量优，国内外大量用于压力管道的焊接，我国也普遍使用此种焊接方法。

熔化极气体保护焊的热输入量一般是通过调节电流、电压的大小进行间接控制的，在其他条件不变的情况下，随着焊接电流的增加，作用在母材上的电弧力增加，电弧对焊件的热输入量增加，热源位置向下移动，有利于热量向熔池深度方向传导，使熔深增大。当焊接电流增加，电弧直径逐渐变粗，并且深入木材的距离增大，导致焊缝宽度减小。当电流增加后，热输入量增加，焊丝融化速度和融化量同时增加，但融宽增加较少，致使焊缝余高增大。焊接电流过大，容易造成焊缝烧穿、咬边严重、气孔和热裂纹等缺陷，且增加了焊接飞溅浪费。焊接电流过小则热输入量不充足，造成引弧困难，电弧稳定性差，熔深不足，焊丝融化速度和融化量减少，形成窄焊道，大余高，焊缝成型难看，造成夹渣、焊瘤、未焊透以及冷裂纹等一系列缺陷。焊接电压增大时，电弧长度增加，导致热量不集中，焊缝融深减小，焊缝宽度增加，余高减小。从以上研究结果可以看出，熔化极气体保护焊的热输入量需保持在一个合适的范围之内才能保证焊缝的成型质量。另外焊缝质量还会受到坡口角度、钝边大小以及作业人员的焊接技术的影响，为了体现本次研究的单一性，实验排除其他因素的影响，只考虑在不同电流电压的条件下得到最好的焊缝质量，同时记录下最优质的电流电压区间，以给后续作业人员提供参数指导，大大降低操作适应性[2]。

1  实验材料和方法

1.1材料成分

本实验采用的坯料是湘钢生产的Q355NC低合金高强钢，厚度为25mm,Q355NC执行GB/T1591—2018标准生产，尺寸外形及允许偏差：Q355NC尺寸、外形、重量及允许偏差符合GB/T709相应标准的规定。其合金成分如下表1-1所示

表1-1  Q355NC合金成分（质量分数%）

元素

C

SI

Mn

P

S

Nb

V

TI

Cr

Ni

Cu

Mo

N

Als

含量

≤0.20

≤0.5

0.90-1.65

0.035

0.035

0.005-0.05

0.01-0.12

0.006-0.05

≤0.3

≤0.5

≤0.4

≤0.1

≤0.015

≥0.01

1.2材料制备

实验试板根据GB/T985.2-2008 规定加工坡口，坡口角度60°，钝边宽度3mm，采用的焊接材料为直径1.2mm实心焊丝。实验时选取多块相同规格的钢板作为实验对象，钢板规格为25mm×500mm×200mm钢板，实验前开好坡口，钝边贴合，采用对称的方式平放于地面点焊固定，如下图坡口大样图。焊接前对焊缝表面进行抛光打磨处理，清除切割余留的氧化铁屑、油污、灰尘等影响焊接效果的杂质，并在焊缝两边20cm的范围内涂刷防飞溅剂。

图1-1  试样焊接坡口形式和尺寸示意图

1.3实验方案[5]

表1-2  实验方案

试样编号	焊接电流 A	焊接电压 V	焊接速度 cm/min
1-4	200	20、25、30、35	35
5-8	180、200、220、240	30
9-11	220	28、32、34

1.4 实验原理及设备

本次实验选用熔化极气体保护焊，其利用焊丝与工件间产生的的电弧热将焊丝和母材金属熔化的焊接方法。二氧化碳作为保护气体，能有效避免周围环境空气的氧化。探伤设备采用汉威HS610e超声检测仪，超声探头选用2.5P/13×13K2探头。

图 1-2 汉威无损检测仪（HS610e）

根据现场压力钢管的焊接参数统计结果，本次实验可以根据以往经验将电流电压选择在一个合适的范围内进行施焊，如此既可以不用浪费过多材料，也可以在短时间内得出实验结果，并且不影响试板焊缝质量。

第1块到第4块试板焊接时焊接电流选择200A，焊接电压分别调至20V、25V、30V、35V进行施焊；焊接完成后进行外观质量检验和超声检测，选取最好质量的焊缝并标记所选用的焊接电压；本次焊接效果较好的焊接电压为30V；以此电压为第5块到第8块试板的焊接电压，焊接电流分别调至180A、190A、220A、240A，焊接完成后同样进行外观质量检验和超声检测，选取最好质量的焊缝并标记所选用的焊接电流，本次焊接效果最好的焊接电流为220A；以此电流为第9块到第11块试板的焊接电流，焊接电压分别调至28A、32A、34A，焊接完成后再进行外观质量检验和超声检测，最后得出最佳的焊接电流和焊接电压，通过公式计算出此电流电压下的热输入量[3]。

1.5实验

试板的实际焊接操作中由于受到坡口大角度的影响，不能对焊缝进行一次成型焊接，需要在试板的焊缝内进行填充焊，且需多次进行，最后再进行盖面焊。焊接层数根据所选电流大小进行确定，焊接电流大则填充效率高，焊接层数减少；焊接电流小则填充效率低，相应地增加焊接层数，直至达到最佳的焊缝外观质量。焊接完成小坡口一面后需进行刨缝，之后才能继续焊接。大坡口一侧焊接层数一般不超过3层，小坡口一侧进行刨缝后焊接层数控制在1-2层

图1-2  试样焊后效果图

焊接热输入量一般通过以下公式计算：

Q=η*U*I/λ

η：焊接效率，0.6-0.8，取0.7计算

U：焊接电压

I: 焊接电流

λ：焊接速度

实验按照实验方案进行，每块试板参数选择如下表1-3所示：

表1-3  实验电流、电压、热输入量参数表

试样 编号	焊丝直径/mm	焊接电流 A	焊接电压 V	焊接速度 cm/min	热输入量 KJ/cm	预热层间温度/℃
1	Φ1.2	200	20	35	80	60/120
2			25		100
3			30		120
4			35		140
5		180	30		108
6		190			120
7		220			132
8		240			144
9		220	28		123.2
10			32		140.8
11			34		149.6

2  实验结果及分析

实验结果：

（1）焊接电流选取200A时，随着电压逐渐增大，热输入量从80增大到140KJ/cm，焊缝宽度逐渐变宽，焊缝余高逐渐减小，经过检验后30V电压下的焊缝外观和焊缝内部质量虽有缺陷但较其他电压更好，但焊缝宽度和余高不满足检验标准。

图2-1  焊接电流：200A  焊接电压：30V

图2-2 超声检测

焊缝內部经过超声检验发现缺陷5处，缺陷长度在3~10mm之间，判断为气孔和热裂纹。

（2）焊接电压选取30V时，随着电流逐渐增大，热输入量从108增大到144KJ/cm,焊缝宽度逐渐减小，焊缝余高增加，经过检验后220A电流下的焊缝外观和焊缝内部质量有明显提升，较其他电流效果更好，但焊缝宽度相比较200A焊接电流时变窄不明显，焊缝余高满足检验标准。

图2-3焊接电流：220A  焊接电压：30V

图2-4 超声检测

焊缝內部经过超声检验发现缺陷3处，缺陷长度在3~10mm之间，判断为气孔和热裂纹。

（3）焊接电流选取220A时，随着电压逐渐增大，热输入量从123.2增大到149.6KJ/cm，32V和34V电压下的焊缝宽度增加更多，但28V电压情况下的焊缝宽度符合检验标准，超声检验后内部没有出现裂纹、气孔、夹渣等常见焊接缺陷。

图2-5  焊接电流：220A  焊接电压：30V

图2-6  超声检测

焊缝內部经过超声检验发现无缺陷。

3  结论及建议

（1）熔化极气体保护焊（GMAW）随着焊接电流和焊接电压的变化，热输入量逐渐增大，焊缝宽度和余高明显受到调节影响，可以通过控制改变热输入量改善焊缝表面质量。

（2）焊接效果最明显的热输入量所对应的焊接电流电压分别是220A、30V，实际焊接操作中电流电压应在此电流电压附近选取，电流最好控制在215~225V之间，电压最好控制在28~32V之间[4]。

（3）热输入量不仅受到焊接电流和焊接电压的影响，同时也受到焊接速到和焊接效率的影响，焊接速度取决于焊工的技术水平，体现在公式中就会得到不同的热输入量，不同的焊工即使在相同的电流电压下进行焊接输出的热输入量也大有不同。

（4）建议在焊接引水压力钢管的过程中，针对焊接热输入量再进行更加精密和大量的实验，获取更多的实验数据，建立在大数据基础上的焊接参数才能够更加有利于控制焊缝质量，后期再进行此类输送气体液体压力钢管的焊接时更能够保证安全和总体质量。

（5）建议在培养焊接技术工人的过程中对工人的焊接速度进行针对性训练，尽可能的规避人为因素带来的影响，有利于提升团队和焊缝的整体质量水平。

参考文献

[1]隋永莉，郭锐，张继承.管道环缝半自动焊与自动焊技术对比分析[J].焊管，2013,36（9）：38-47.

[2]张永振.高钢级大口径天然气管道环焊缝安全提升设计关键[J].油气储运，2020,39(7):740-748.

[3]高俊华，王宝，彭铁建.药芯焊丝焊接时的瞬时波动现象分析[J].电焊机，2006（11）：31-33.

[4]董俊慧，荆洪阳，杨新岐.改善管道环缝焊接头残余拉应力的研究[J].压力容器，2000,17（1）：37-41

[5]殷树言，张九海。气体保护焊工艺。哈尔滨工业大学出版社.1989