雙面電弧焊接工藝及物理過程分析

郎書科（中國石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司遼河熱采機(jī)械制造分公司，遼寧 盤錦 124209）

雙面電弧焊接工藝及物理過程分析

郎書科
（中國石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司遼河熱采機(jī)械制造分公司，遼寧 盤錦 124209）

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，焊接工藝也獲得很大的進(jìn)步，大大提高了石油企業(yè)生產(chǎn)效益。作為新型的焊接工藝，雙面電弧焊接（double-side arc welding）的應(yīng)用及其廣泛，在焊接速度、焊接效果、焊縫熔深等方面具有明顯的優(yōu)勢，能夠降低變形發(fā)生幾率，避免資源的浪費(fèi)。本文主要對(duì)雙面電弧焊接工藝進(jìn)行介紹，分析了雙面電弧焊接物理過程，以期加深對(duì)雙面電弧焊接工藝的了解，使該工藝得到推廣使用，更好的指導(dǎo)實(shí)踐焊接工作。

關(guān)鍵詞：雙面電弧；物理過程；焊接工藝

近年來，我國國民經(jīng)濟(jì)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，而工業(yè)是我國的一項(xiàng)重要的支柱產(chǎn)業(yè)，逐漸向著規(guī)模化、專業(yè)化的方向發(fā)展，應(yīng)用到許多大容量、參數(shù)高的設(shè)備儀器，這就對(duì)焊接工藝提出了更高的要求。研究雙面電弧焊接工藝及物理過程具有非常重要的意義，能夠有效的提高焊接質(zhì)量，為相關(guān)研究提供參考意見。

一、雙面電弧焊接工藝介紹

應(yīng)用等離子熱源進(jìn)行焊接工作的過程中，因?yàn)榫哂休^大的電弧動(dòng)壓力和收縮力，會(huì)產(chǎn)生較深、較寬的焊縫，這是穿孔型等離子弧焊接方法最顯著的特點(diǎn)。在應(yīng)用該工藝進(jìn)行焊接處理時(shí)，被焊接母材上有大量的等離子焊（PAW）電流流失現(xiàn)象，等離子流能夠在電弧的作用下作用于材料的孔洞中。穿孔型等離子弧焊在實(shí)際過程中會(huì)浪費(fèi)一部分能量，無法對(duì)較厚的材料進(jìn)行焊接操作，對(duì)不同材質(zhì)的焊接厚度都有明確的要求。當(dāng)焊接處理時(shí)的等離子流作用于孔洞的情況下，在一定程度上可以抵消部分耗能，會(huì)加深焊接溶身。遵循PAW工藝的工作原理，可以采取將TIC電極加入到等離子焊電極的方式，并分別接于焊接電源的輸出端，這樣就會(huì)形成電源、電極、工件、電極、電源的電流回路，對(duì)傳統(tǒng)的焊接電流模式進(jìn)行改造和優(yōu)化，從而確保電流能夠透過小孔，對(duì)耗能進(jìn)行最大限度的補(bǔ)償，大大提高焊接性能，焊接厚度更大的母材。

雙面電弧焊接（DSAW）的穿透能力較強(qiáng)，能夠減少電流耗能，提高了材料的利用率，操作步驟簡單，處理環(huán)節(jié)相對(duì)單一，可以完成I形坡口焊接工作，也可以用于較厚木材的焊接，應(yīng)用范圍極廣。應(yīng)用該工藝進(jìn)行工作的過程中，電流得到了充分的利用，熱效應(yīng)較高，能夠?qū)⒑附幽芰孔饔糜谛∶娣e范圍內(nèi)，不會(huì)影響其他部分的材料，效果明顯，不會(huì)出現(xiàn)變形的狀況，無需進(jìn)行后期修補(bǔ)工作，大大提高了焊接質(zhì)量，對(duì)生產(chǎn)效益的提升具有很大的幫助。

二、雙面電弧焊接物理過程分析

（一）電弧收縮效應(yīng)

將雙面電弧焊接、TIG焊（Tungsten Inert Gas Welding）焊槍同等離子焊焊槍、VPPAW電源進(jìn)行組合應(yīng)用的情況下，處于EN周期內(nèi)會(huì)出現(xiàn)收縮的狀況，同傳統(tǒng)等離子焊接工藝處理后的形狀有明顯的不同。但在應(yīng)用G-PAW及雙面電弧焊接焊接工藝的時(shí)候，如果處于EP周期內(nèi)，則會(huì)使得等離子弧作用在一個(gè)位置上。在以上兩個(gè)不同的周期內(nèi)，通常將焊接溶深的確定歸根于EN周期。由此可見，電弧收縮效應(yīng)的根本原因是雙面電弧焊接的熔深影響，在此作用下可以提高熱能的利用率，處理中厚度材料，不會(huì)造成較寬的焊縫。

應(yīng)用雙面電弧焊接工藝進(jìn)行焊接處理時(shí)，為了形成焊接回路，可以對(duì)電流利用TIG焊槍進(jìn)行引導(dǎo)，從而導(dǎo)致電弧能夠直接穿透匙孔，使熱能匯聚在一個(gè)工作點(diǎn)，熔透能力明顯增強(qiáng)。同時(shí)也要注意到在焊槍的引導(dǎo)下，作用于工件的電流還存在感應(yīng)磁場，而磁場軸線方向則為電流的主要流向，將電弧、電流組合成為一個(gè)整體，進(jìn)一步增大收縮效應(yīng)，焊接熔深顯著加深，生產(chǎn)效益大幅度提高。

（二）電磁場分析

雙面電弧焊接過程中會(huì)產(chǎn)生的電磁場，但電位梯度在被焊接工件與電極之間存在很大的差異，會(huì)形成焊接電流的電磁場Fm及電場力Fe，分別相應(yīng)的計(jì)算公式得出。其中電流的電磁場在x、y兩個(gè)方向上都存在分量，即fm（x）和fm（y），在y方向的fm（y）會(huì)使該方向上的等離子粒子速度加快，縮短作用于工件的時(shí)間，而在x方向的fm（x）會(huì)使該方向上的電流集中在一起，同工件距離逐漸縮短的同時(shí)電流慢慢減小；同理，x、y兩個(gè)方向上也都存在電場力Fe的分量，即為fe（x）和fe（y），fe（y）會(huì)使該方向上的離子加速，極快達(dá)到工件位置，而x方向的fe （x）存在發(fā)散電流的現(xiàn)象，但不同的是隨著與工件距離的縮短，電路強(qiáng)度會(huì)逐漸增大。

（三）熔池流場分析

通過模擬實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)雙面電弧焊接工藝進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)其熔池流場受浮力、電流電磁力及工件表面張力的影響，研究不同因素對(duì)熔池形狀變化的干擾。熔池金屬在不同張力的作用下會(huì)產(chǎn)生定向流動(dòng)，方向?yàn)閺膬?nèi)到外，熔池的寬度呈現(xiàn)出逐漸縮短的趨勢。金屬熔池在浮力的影響下會(huì)出現(xiàn)兩種不同方向的流體，其中在下表面中，流體方向同焊接電流產(chǎn)生的電磁場方向相一致，都為從外到內(nèi)，可以擴(kuò)展熔池深度；而上部焊接工件的單面工作與浮力產(chǎn)生作用在時(shí)間上同時(shí)發(fā)生，其流體的方向是從內(nèi)到外。工件焊接部位會(huì)通過大量的電流，這就導(dǎo)致電流電磁場的強(qiáng)度更大，另一方面由于焊接熔池的傳熱與流體流動(dòng)的作用，會(huì)進(jìn)一步增大磁場強(qiáng)度，磁場下形成從外到內(nèi)的熔池流向，為挖掘焊接熔池提供了有利的條件，也對(duì)焊接熔深的增大有很大的幫助。

結(jié)語

由于焊接工作的特殊性，設(shè)備結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，很容易引發(fā)焊接質(zhì)量問題，雙面電弧焊接工藝的應(yīng)用有效的解決了這一問題，成為不同行業(yè)領(lǐng)域的首選焊接方式。雙面電弧焊接工藝可以對(duì)被焊接工件的兩側(cè)進(jìn)行加熱處理，熱量集中度高，提高了資源利用率，保障了焊接質(zhì)量，不存在變形的狀況。無論是單電源還是雙電源雙面電弧焊接工藝，都明顯優(yōu)于其他焊接工藝，能夠簡化焊接工作環(huán)節(jié)和步驟，操作方便，能夠進(jìn)行靈活的調(diào)節(jié)和控制，焊接效果極佳，焊接熔深增大，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

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中圖分類號(hào)：TG44

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：郎書科，出生年月：1973.1，男，滿，遼寧省盤錦市人，大專學(xué)歷，中國石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司遼河熱采機(jī)械制造分公司。