螺旋埋弧焊管生產(chǎn)中磁場對焊接質(zhì)量的影響

尉增強(qiáng)，杜方靜

（中石化石油機(jī)械有限公司沙市鋼管廠武漢分廠，武漢430040）

0 前 言

在螺旋埋弧焊管生產(chǎn)中，焊接電弧周圍除了自身電流產(chǎn)生的磁場外，還會在焊點(diǎn)周圍存在著其他磁場。按磁力線和電弧軸線相對位置分，外磁場對電弧產(chǎn)生橫向、軸向或其他形式的磁場，這種外磁場影響著電弧的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響螺旋埋弧焊管的焊接質(zhì)量。這種外磁場的存在和外磁場的強(qiáng)弱主要源于焊接電纜線的分布和走向，尤其是電纜線圍繞著某一機(jī)械設(shè)備時(shí)，該設(shè)備相當(dāng)于一個(gè)電磁鐵，將會產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場，如果這種外磁場對電弧產(chǎn)生的是橫向電磁力，將嚴(yán)重影響電弧的穩(wěn)定性。

外磁場的存在使焊點(diǎn)周圍的焊劑擋板、成型輥、焊劑回收管、2#輥梁等吸附大量的氧化鐵粉，當(dāng)氧化鐵粉聚集到一定程度時(shí)會自行落入焊劑中或吸附在帶鋼的焊接坡口上進(jìn)入焊點(diǎn)，這種聚集狀的氧化鐵粉將會引起焊管焊縫氣孔和夾雜等缺陷，嚴(yán)重影響焊管質(zhì)量，威脅油氣輸送安全。

1 磁場對電弧的影響

焊接電弧是發(fā)生在電極和工件之間一種強(qiáng)烈而持久的放電現(xiàn)象，電弧是一種具有一定電離度的等離子氣體。該氣體具有以下3個(gè)特點(diǎn)：①由于電弧內(nèi)部存在自由電子和帶正、負(fù)電荷的離子，因此電弧具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性；②雖然電弧內(nèi)部有大量的帶電粒子，但是粒子所帶正電荷數(shù)總等于負(fù)電荷數(shù)，因此電弧宏觀上呈現(xiàn)的是中性，微觀上卻是正、負(fù)電荷分離，且向一定方向運(yùn)動形成電流；③由于電弧是由大量的帶電粒子組成的導(dǎo)電體，因此外磁場對電荷產(chǎn)生力的作用。

在螺旋埋弧焊管生產(chǎn)中，軸向磁場和橫向磁場對電弧的作用和影響較大。

1.1 軸向磁場

任何通電導(dǎo)體周圍都會產(chǎn)生磁場，同樣電弧周圍也會產(chǎn)生磁場，這種自身磁場產(chǎn)生電磁收縮力，促進(jìn)熔滴過渡，并保證一定的熔深，使電弧具有剛直性。所謂電弧剛直性，指電弧作為一個(gè)柔性導(dǎo)體抵抗外界干擾，使焊接電流沿焊絲軸向流動的性能，這種性能是由電弧自身磁場決定的，當(dāng)電流通過電弧流動時(shí)，帶電粒子的流動在電磁力F的作用下，都會向焊絲軸線方向集中，如圖1所示。當(dāng)電弧受到外界干擾使電弧偏離焊絲軸向時(shí)，自身磁場作用有抵抗這種干擾的能力，使電弧盡量保持在焊絲軸向，同時(shí)電弧的等離子力、高速氣流和周圍氣流的冷卻作用，也有助于電弧的剛直性。

圖1 電磁力示意圖

當(dāng)外磁場的磁力線平行于焊絲軸線時(shí)，如果電弧中帶電粒子運(yùn)動方向與軸線平行，這個(gè)外磁場對電弧不產(chǎn)生作用；如果帶電粒子運(yùn)動方向不與焊絲軸線平行，就會受到外磁場的作用，使帶電粒子沿弧柱徑向有一個(gè)速度分量vx，如圖2所示，它垂直于弧柱軸線，產(chǎn)生的洛倫磁力Fz使其圓周運(yùn)動，圓周半徑為r，速度為vz，如圖3所示。在軸向磁場的作用下，產(chǎn)生向心力，加速度a為

向心力F=ma，已知洛倫磁力F=BvxQ，則

根據(jù)（1）式、 （2）式和（3）式， 有

式中：m-帶電粒子的質(zhì)量；

vx-帶電粒子運(yùn)動速度在弧柱徑向的分量；

vz-帶電粒子受到洛倫磁力時(shí)的圓周運(yùn)動速度；

B-磁感應(yīng)強(qiáng)度；

Q-電荷量。

圖2 不沿軸線運(yùn)動的帶電粒子速度分解示意圖

圖3 帶電粒子圓周運(yùn)動

由于帶電粒子不僅有vx和vz運(yùn)動速度，而且還有vy運(yùn)動速度，所以帶電粒子的實(shí)際運(yùn)動路線是以r為半徑的螺旋線。因此在外加軸向磁場的作用下，電弧中帶電粒子的運(yùn)動將變成沿磁力線方向的螺旋運(yùn)動，磁感應(yīng)度和電荷量越大，螺旋半徑越小，電弧收縮，可以使焊縫熔深增大，改善焊縫的成形。

1.2 橫向磁場

橫向磁場是外磁場的磁力線垂直于焊絲軸線，如圖4所示。電弧在外磁場的作用下將產(chǎn)生磁偏吹，使電弧偏向焊絲軸向一側(cè)，如圖5所示。電弧磁偏吹不僅減弱了電弧軸向的剛直性，而且使焊縫熔池偏離了焊絲的軸線。

圖4 橫向磁場示意圖

圖5 磁偏吹示意圖

電弧焊時(shí)不僅電流通過焊絲和電弧產(chǎn)生磁場，而且通過工件的電流也會在空間產(chǎn)生磁場，當(dāng)焊絲垂直于工件表面時(shí)，由于電流通路與電弧相互垂直，則在電弧左側(cè)的空間為兩端導(dǎo)體周圍產(chǎn)生的磁力線疊加，而右側(cè)空間只有電弧自身產(chǎn)生的磁力線，因此電弧左側(cè)的磁力線密度大于右側(cè)磁力線密度，使電弧向右傾斜，如圖6所示。

圖6 磁偏吹原理

此種情況在螺旋焊管的外焊焊接中表現(xiàn)得最為明顯，如圖7所示。在焊槍的右側(cè)由于電弧自身磁場和電流流經(jīng)管體產(chǎn)生磁場的疊加，焊槍右側(cè)的磁力線密度大于左側(cè)的磁力線密度，使焊接電弧產(chǎn)生了向左側(cè)磁偏吹，為了保證焊縫的形狀和焊接質(zhì)量，通常使外焊槍有一個(gè)左側(cè)的傾角，以解決由于電流流經(jīng)管體時(shí)造成的磁偏吹。

圖7 螺旋埋弧焊管外焊電弧磁偏吹示意圖

在螺旋埋弧焊管生產(chǎn)中，橫向外磁場的存在不僅影響電弧軸向剛直性和穩(wěn)定性，而且容易引起咬邊、氣孔、夾雜等焊接缺陷。再者，當(dāng)電弧的剛直性和穩(wěn)定性受到影響時(shí)，熔池同樣也會受到影響，當(dāng)熔池在結(jié)晶過程中分子之間的結(jié)合力小于帶鋼嚙合時(shí)的內(nèi)應(yīng)力時(shí)，此時(shí)容易出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力裂紋而造成質(zhì)量事故。

如果磁偏吹使電弧向焊管移動方向的前方偏離，則會造成均勻的寬而淺的焊縫；如果電弧向后方偏離則會產(chǎn)生咬邊和過高的焊縫余高；如果電弧向焊縫的一側(cè)偏離，則會使焊接熔池偏向焊縫一側(cè)，造成焊縫單側(cè)連續(xù)性咬邊。

生產(chǎn)中常遇到磁偏吹現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致焊接過程不穩(wěn)定，操作難以控制，焊縫成形不良。這時(shí)，可用以下辦法消除和減小磁偏吹：①縮短電?。虎诟淖兘泳€位置或采用兩端連接地線的方法；③焊絲傾向電弧偏吹一側(cè)；④通過外加磁場來控制電弧形態(tài)及運(yùn)動，滿足焊接工藝要求。

2 螺旋埋弧焊管生產(chǎn)中外磁場的影響

螺旋埋弧焊管生產(chǎn)中外磁場的來源主要是焊接電纜線的分布和走向，當(dāng)焊接電纜線圍繞著某一機(jī)械設(shè)備時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)封閉的通電線圈纏繞一個(gè)鐵芯的電磁鐵。

螺旋埋弧焊管生產(chǎn)中內(nèi)焊焊接電纜線的分布和走向如圖8所示，地線接線處在內(nèi)焊點(diǎn)下方的成型器底座上，焊接電纜線從成型器底座后方繞成型器底座和行進(jìn)帶鋼后在成型器底座上方連接到焊點(diǎn)位置，因內(nèi)焊焊接電流極性采用直流反接，根據(jù)焊接電流方向，按照右手定則將會產(chǎn)生垂直于電弧的橫向磁場。

圖8 焊接電纜的分布和走向

這種垂直于電弧的橫向外磁場不僅影響著電弧軸線的剛直性和電弧穩(wěn)定性，而且使成型器內(nèi)磁場較大，增加了焊劑擋板、焊劑回收管、成型輥上氧化鐵粉的附著量，如圖9所示。

圖9 氧化鐵粉附著在相關(guān)設(shè)備上的照片

當(dāng)這種聚集狀的氧化鐵粉聚集到一定量時(shí)，會落入焊劑中隨后進(jìn)入焊接點(diǎn)，造成氣孔、夾雜等焊接缺陷，缺陷焊縫X射線拍片結(jié)果如圖10所示。

圖10 缺陷焊縫X射線拍片結(jié)果

另外成型器內(nèi)磁場過大時(shí)也會使帶鋼遞送邊和自由邊坡口吸附大量的氧化鐵粉，并隨帶鋼一起進(jìn)入焊接點(diǎn)，如圖11所示。同樣會造成氣孔、夾雜等焊接缺陷。

圖11 氧化鐵粉吸附在坡口上的照片

外磁場對電弧的影響最明顯的就是焊縫外觀，當(dāng)焊接電壓超出正常值大約5 V時(shí)，會出現(xiàn)焊縫寬度窄、余高過高、焊接咬邊等缺陷。

3 減少焊接時(shí)外磁場的措施

經(jīng)過對焊接缺陷和內(nèi)焊打斷試樣分析討論后，為減少外磁場對焊接質(zhì)量的影響，重新布置了焊接電纜線和走向，以消除由于焊接電纜線的分布和走向而引起的外磁場影響。重新布置后的焊接電纜線和走向如圖12所示。

圖12 重新布置后的焊接電纜線和走向示意圖

改變焊接電纜線的布置和走向后，成型器內(nèi)磁場過強(qiáng)的現(xiàn)象有了明顯改觀，電弧的磁偏吹減弱，附著在焊劑擋板、焊劑回收管、成型輥、遞送邊和自由邊坡口等處的氧化鐵粉明顯減少。

4 結(jié) 語

螺旋埋弧焊管生產(chǎn)中，當(dāng)焊接質(zhì)量不穩(wěn)定時(shí)，在焊接參數(shù)、焊接設(shè)備及電器調(diào)整的同時(shí)，磁場所引起的因素往往被忽略或遺漏，這時(shí)就需要對引起焊接質(zhì)量缺陷的各種因素綜合考慮，以解決生產(chǎn)中的實(shí)際問題。

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