韓 永

（山西天然氣有限公司，山西 太原 030006）

現(xiàn)階段，除了煤炭在我國能源結構中占據(jù)主導地位外，天然氣和石油也在我國國民經(jīng)濟、工業(yè)生產(chǎn)以及人民生活中應用廣泛。天然氣、石油我國以進口為主，為最安全、可靠的運輸方式為采用管道運輸。以天然氣為例，其管道在工程建設過程中，尤其是對于長距離輸送的管道保證管道之間的焊接技術是確保管道運輸安全性的關鍵[1]。閃光對焊為當前在能源運輸、鐵路建設方面應用較為廣泛的焊接技術。本文將以天然氣管道的焊接為背景，探討閃光對焊技術的應用，并對焊接工藝參數(shù)進行優(yōu)化。

1 閃光對焊技術概述

閃光對焊屬于電阻焊接技術，其對應的焊接原理如圖1所示。將焊件的接頭對準并在夾具的作用下夾緊，將焊件接頭不斷靠近并達到局部接觸；對焊接裝置進行通電，并可通過變壓器對電壓進行調整以對電弧的能量進行調節(jié)，斷面金屬加熱融化后在頂鍛力的作用下達到焊接的目的[2]。可將閃光對焊劃分為預熱階段、閃光階段、頂鍛階段以及保持和休止階段四部分。其中：在預熱階段后，可保證在焊接過程中更容易達到激發(fā)閃光的目的，從而降低閃光時間、降低金屬損耗；在閃光階段后，在焊件接頭處形成了液態(tài)的金屬層，周圍形成一個可塑性變形的溫度差，為后續(xù)頂鍛階段做準備；在頂鍛階段，主要是在外力的作用下將焊件接頭斷面的液態(tài)金屬層和氧化物雜質排出；保持和休止階段是為了保證最終焊接接頭質量的關鍵階段，其中，在保持階段，可避免接頭的快速斷裂，在休止階段，可保證焊接接頭的形貌處于優(yōu)質狀態(tài)[3]。

圖1 閃光對焊技術原理圖

對于閃光對焊技術而言，影響最終焊接質量的工藝參數(shù)包括有伸出長度、閃光電流、閃光留量、閃光速度、頂鍛流量頂鍛速度以及帶點頂鍛時間等。本文將采用試驗方式并以實際焊接工程為例探討閃光對焊技術的最佳工藝參數(shù)。

2 試驗設計

簡單的講，閃光對焊技術實現(xiàn)是在熱力學和機械學聯(lián)合作用下的結果。對于天然氣管道的焊接而言，為保證天然氣運輸?shù)陌踩院涂煽啃?，選用最佳工藝參數(shù)建立焊件周圍的最佳溫度場，保持焊件的塑性變形的效果等，從而最終保證焊接接頭的質量尤為重要[4]。影響焊接接頭質量的工藝參數(shù)較多，本文采用二次回歸正交試驗方法對不同工藝參數(shù)組合下焊接接頭的沖擊、彎曲以及拉伸等力學性能對比，從而得出最佳焊接工藝參數(shù)。

2.1 試驗材料

本實驗的焊接對象為直徑為219 mm的天然氣管道，該管道的壁厚為18 mm。在常溫狀態(tài)下，該天然氣管道的相關力學參數(shù)如表1所示。

表1 天然氣管道的相關力學參數(shù)

本試驗所采用的閃光焊機的具體型號為K584Ch，該型閃光焊機的額定電壓為380 V，額定功率為180 kVA；可提供的最大頂鍛速度為30 mm/s，可焊接管道的最大斷面面積為14 000 mm2。

2.2 焊件接頭質量檢測方法

對基于不同工藝參數(shù)下焊件接頭的質量進行檢測，包括擊、彎曲以及拉伸等力學性能的檢測。焊件接頭拉伸質量檢測參照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗室試驗方法》執(zhí)行；焊件接頭彎曲質量檢測參照GB/T 2653—008《焊接接頭彎曲試驗方法》執(zhí)行；焊件接頭的沖擊性能檢測參照GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》執(zhí)行。

3 天然氣管道焊接工藝研究

3.1 正交試驗方案設計

結合相關理論和實踐經(jīng)驗，本次試驗重點對閃光第1階段距離、閃光第1階段電流、閃光第2階段距離、帶電頂鍛時間和加速閃光末速度5項參數(shù)的最優(yōu)化展開研究，各參數(shù)的取值參照如表2所示。

表2 影響管道接頭焊接質量關鍵參數(shù)取值

根據(jù)回歸正交試驗的設計原則，在保證試驗全面性的基礎上，避免重復性的試驗次數(shù)和不必要的試驗，本次試驗結合表2中關鍵參數(shù)的取值設計30組焊接工藝參數(shù)組合。對不同焊接工藝組合下天然氣管道焊接接頭處的沖擊韌性進行對比。

3.2 試驗結果分析

對不同閃光第1階段距離下（其余參數(shù)設置如下：閃光第1階段電流為280 A、閃光第2階段距離為23 mm、帶電頂鍛時間為0.4 s、加速閃光末速度為1.0 mm/s）焊接接頭沖擊韌性進行對比，包括對焊接接頭的焊縫中心和熱影響兩個區(qū)域的沖擊功進行對比，對比結果如圖2所示。隨著閃光第1階段距離的增加，焊縫中心和熱影響區(qū)的沖擊功先增大后減??；其中，對焊縫中心沖擊功的影響較小，在12～26 mm的范圍之內，沖擊功僅從5 kVA變化至零，當閃光第1階段距離為16～18 mm時，對應的接頭的沖擊功越大；對熱影響區(qū)沖擊功的影響明顯，而且當閃光第1階段距離為22～24 mm時，對應的接頭的沖擊功越大，即對應的沖擊性能越好。

圖2 不同閃光第1階段距離對焊接接頭沖擊性能的影響

綜上所述，當閃光第1階段距離為17 mm，閃光對焊焊縫中心接頭沖擊性能越好；當閃光第1階段距離為23 mm，閃光對焊熱影響區(qū)接頭沖擊性能越好。同理，分別得出天然氣管道焊縫中心和熱影響區(qū)的最佳工藝參數(shù)，分別如表3、表4所示。

表3 天然氣管道焊縫中心最佳焊接工藝參數(shù)

表4 天然氣管道熱影響區(qū)最佳焊接工藝參數(shù)

4 結論

天然氣、石油為當前的主要能源之一，我國主要以進口為主。對于天然氣和石油而言，以管道運輸方式最為安全、可靠性。隨著天然氣、石油運輸量的增加，對管道的運輸距離、口徑以及壓力的要求越大[5]。為保障管道運輸?shù)陌踩浴⒖煽啃?，對管道接頭焊接質量的要求越高。本文以天然氣管道焊接接頭沖擊能力為主要考核目標，分別得出了天然氣管道焊縫中心和熱影響區(qū)的最佳焊接工藝參數(shù)。具體總結如下：

1）天然氣管道焊縫中心最佳焊接工藝參數(shù)，閃光第1階段距離為17 mm、閃光第1階段電流為310 A、閃光第2階段距離為25 mm、帶電頂鍛時間為1.0 s、加速閃光末速度為1.1 mm/s。

2）天然氣管道熱影響區(qū)最佳焊接工藝參數(shù)，閃光第1階段距離為23 mm、閃光第1階段電流為310 A、閃光第2階段距離為27 mm、帶電頂鍛時間為0.6 s、加速閃光末速度為1.0 mm/s。