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巧用电弧力和熔滴作用力

发表时间：2020/1/8 来源：《建筑学研究前沿》2019年20期作者：马义东

[导读] 在电力建设中焊接始终占领着较为重要的位置，如何提高焊接质量是保证机组安全运行的关键。

迪尔集团有限公司山东省济宁市 272100
        摘要：在电力建设中焊接始终占领着较为重要的位置，如何提高焊接质量是保证机组安全运行的关键。随着电力行业的发展，大机组对管道耐热、耐压的需求，部分高合金钢种也被逐步引进。近年来在135MW以上的电厂机组安装中，过热器系统管排大都采用T91钢，主蒸汽管道大都采用P91等高合金马氏体钢。然而由于该管道材质合金含量高，制造工艺复杂，成本昂贵，焊接又有很大的局限性，具有显著的淬硬和冷裂倾向，且管道内介质为高温高压蒸汽，所以焊接工程必须保证一次合格率。而T91和P91等高合金的焊接工艺过程又和其它钢材的焊接工艺过程有所不同，焊接过程较为复杂，尤其在电弧作用力和熔滴过渡方面存在一定的区别和困难，所以在对T91和P91等高合金钢焊接时应严格控制其电弧作用力和熔滴作用力对焊接过程的影响并巧以利用来提高焊缝合格率。
        关键词：电弧力；溶滴重力；表面张力


引言
        针对上述情况，在工业管道焊接中，如何通过有效利用电弧力和熔滴作用力，对其扬长避短，从而获得较为美观的焊缝成形和一次检验合格率，保证质量的同时也相应的提高工程效益，便具有了其重要的意义。
        在焊接过程中电弧既是热源，同时又是力源。电弧所产生的对熔滴、熔池的机械作用力通称电弧力。包括电磁收缩力、等离子流力、斑点力和短路爆破力等。这些电弧力对焊缝成形和焊接过程稳定有着重要的影响，若控制不良将破坏正常熔滴过度，甚至形成焊瘤、咬边、烧穿等严重缺陷，所以焊接过程中尤其是焊接T91、P91等高合金时必须对其进行严格控制以获得美观的成形和内部质量良好的焊缝。
        1电磁收缩力   电弧收缩力是由磁压缩效应引起的，它正比于电流的平方，方向垂直于电流线.有使导体截面收缩的趋势，有利于金属熔滴向熔池过渡，并起到搅拌熔池的作用。
        2等离子流力   在焊接条件下，电弧是在小截面的焊条、焊丝和大截面的工件之间产生，且呈圆锥形。在电弧收缩力作用下，形成了从焊条、焊丝指向工件的轴向推力，迫使靠近焊条、焊丝端部的高温等离子气向工件移动。随着高温等离子气的轴向移动，从电弧上方不断流入新空气，新空气在电弧作用下电离，并继续向工件冲击，形成具有一定速度的连续气流，对熔池产生附加压力。这种由等离子流动产生的压力即等离子流力。等离子流力能增大电弧的刚直性；促进熔滴过渡，减少金属飞溅；还可以增大熔深和对熔池起加大搅拌的作用。
        3斑点力   在电极端面的斑点上由于导电和导热过程的特点而产生的附加压力称斑点力。这些斑点力的方向与熔滴过渡的方向是相反的，他们总是阻碍熔滴过渡。
        4爆破冲击力   当熔滴和熔池发生短路时，短路电流使液柱温度急剧升高，金属内部气化而爆破，爆破引起的冲击力简称爆破力。此外，弧间气体受高温加热而迅速膨胀，也对熔滴和熔池形成冲击力，这些冲击力对熔池过渡和焊缝成形极为不利，甚至会造成粘住焊条或是引起较大的飞溅。
        针对上述情况，在焊接过程中必须采取有效的控制措施以保证焊接质量。如焊接时采用短弧焊接，以增大电弧力的利用率，对熔化金属和熔池起到搅拌作用，促使焊缝成形和有害杂质的溢出。但必须注意严禁出现短路情况从而导致短路爆破，影响焊缝成形和质量。当出现短路时，必须对短路部位进行缺陷处理后再进行焊接。钨极氩弧焊过程中必须严格控制其氩气流量，氩气太小则会造成从电弧上方流入的空气破坏氩气保护区域导致保护不足使熔化金属氧化，太大则会引起电弧收缩，使斑点力增大以至于阻碍熔滴向熔池过渡。控制钨极的端面形状，钨极端部锥角越小（圆尖角）则锥形电弧越明显，越有利于等离子流力的形成，对熔池进行充分的搅拌，促使有害气体和杂质能充分逸出以获得内部组织良好的焊缝。
        电弧焊时，焊丝或焊条端部形成熔滴，熔滴通过电弧空间向熔池转移的过程称为熔滴过渡。熔滴过渡对焊接过程稳定、飞溅大小、焊缝成形优劣以及是否产生焊接缺陷有很大影响。焊接过程中控制熔滴过渡对焊缝成形和内部质量有着很重要的作用。熔滴过渡时熔滴除受到上述电弧力的作用外还受到自身的表面张力和重力作用。尤其是焊接T91和P91等高合金时更为明显，由于高合金钢的金属熔滴粘度大，熔滴过渡较为困难，特别是焊接P91钢仰焊中表现较为明显。如果对过渡处理不当，将会造成打底内凹。熔滴的表面张力总是阻碍熔滴从焊丝或焊条脱落，故不利于熔池的形成。但当熔滴与金属熔池接触形成金属过桥时由于熔池金属面积增大，这时的表面张力能把熔滴拉进熔池，从而有利于熔滴过渡。熔滴的重力在焊接平焊时能加大熔滴过渡，但在焊接横焊或仰焊时重力则使熔化的金属偏离轴线从而阻碍熔滴的过渡，控制不当则会影响焊缝成形，严重时将出现焊瘤情况的发生。
        了解了熔滴重力和表面张力的作用后，在焊接过程中则可以加以有效利用从而获得良好的焊缝成形和内部质量。例如在焊接P91仰焊打底时，由于熔滴同时受到表面张力和重力的双重作用，在焊接时存在一定困难。这时可以利用其表面张力来进行焊接，水平固定焊口仰焊焊接中始终用焊丝端部挑着熔滴，并保证焊丝不要伸出过长，以免造成栽丝。这时由于焊丝端部始终与熔滴接触，从而加大了其表面张力，这时熔滴的表面张力则大于其自身重力，也就保证了打底时不会出现内凹现象。
        操作方法如下图所示：

        焊接过程中如需控制其内透度，可以用焊丝对熔滴向熔池上方挑动，但应注意挑动的频率和送丝频率相配合，且焊丝不要出氩气保护区以免造成焊丝端部待熔化金属氧化，导致氧化的端部焊丝熔入焊缝而影响焊缝内部组织形态。
        实践证明通过工艺过程的有效控制和对熔滴作用力和电弧作用力的巧以利用，不仅提高了施工效率，还获得了良好的焊缝成形和内部质量，焊口一次合格率达到了98%以上，保证了机组的长期安全运行。
        参考文献
        （1）国家电力公司电源建设部《T91/P91钢焊接工艺导则》
        （2）《火力发电厂焊接技术规程》DL/T869-2012
        （3）陈爱莲《工程焊接技术与质量试验检测评定手册》
        （4）陈祝年《焊接工程师手册》