摘要：分析了影响螺旋埋弧焊管外焊缝形状的主要因素，这些因素主要是焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊丝偏心距、焊丝倾角及侧倾角、焊丝间距、焊丝伸出长度、焊接坡口、成型控制以及焊剂等焊接设备的选择等，通过对这些因素的合理选择与控制，从而获得良好的焊缝成形。最后提出了采用磁控电弧焊及预精焊工艺进一步改善焊缝成形的特殊途径，以便更好地满足钢管防腐对外焊缝形状的要求。
0 前言随着大直径、大壁厚、高材质、长距离高压油气管道的快速发展，对螺旋埋弧焊管理化性能及焊缝形状提出了更高要求。当母材与焊缝过渡角较小时，焊趾处应力集中，容易发生疲劳失效。另外，随着3PE和FBE防腐技术的采用，对螺旋埋弧焊管焊缝形状同样提出了更高的要求。如西气东输工程等管线为了满足防腐要求，在补充技术条件中要求外焊缝余高控制在2.5 mm以内，而摩洛哥钢管技术规格书中要求外焊缝余高控制在1.5 mm以内。若焊缝外形不规则，如“鱼脊”焊缝，刚涂敷完的钢管通过压辊和旋转辊时，焊缝处的防腐层受压应力和拉应力比别处更大，从而使防腐层减薄甚至开裂。如果焊缝与母材过渡角太小，在防腐中还会出现焊趾处喷砂清理不净，涂敷不到位形成空隙，造成防腐层出现密集漏点，从而导致防腐验收不合格。因此，探讨螺旋埋弧焊管外焊缝形状控制技术，对防止焊趾处应力集中、防腐层开裂、密集漏点、涂层不均匀以及防腐材料的浪费等具有十分重要的意义。
1 影响外焊缝成形的因素及控制
螺旋埋弧焊管标准中规定，焊缝外形应均匀规整，与母材过渡平缓。良好的焊缝成形应该是焊缝表面光滑，波纹细致美观；无咬边缺陷，无经较大的“麻点”或疵坑；焊缝向母材平缓圆滑过渡（而非“矩形”焊缝）；焊缝宽度均匀规整（而非“花边”焊缝）；焊缝余高均匀适中（而非“马鞍”形或“鱼脊”形焊缝），与母材平缓圆滑过渡的外焊缝形状如图1所示，图2为宽度不均匀的“花边”外焊缝形状。本研究从焊接工艺参数、工艺因素、结构因素、焊剂和焊接设备等几个方面进行分析探讨，为获得良好的焊缝成形提供参考。
1.1焊接工艺参数对外焊缝形状的影响及控制
1.1.1焊接电流
在其他条件不变时，增加焊接电流，焊缝熔深和余高都增加，而熔宽则几乎保持不变（或略有增加），如图3所示。在螺旋埋弧焊管生产中，通常内焊使用较小的焊接电流，而外焊使用较大的焊接电流。但在较大的焊接电流条件下，熔池的搅拌作用加剧，且焊丝的熔化量也相应增多，得到的焊缝余高增加，焊缝成形恶化，边缘过渡较差。
在较小焊接电流条件下，熔池的搅拌作用减弱，焊丝的熔化量减少，焊缝余高会降低，焊缝成形得到改善，表面波纹细美，边缘过渡趋于平缓。但随着焊接电流的减小，熔透深度随之减小，又会影响焊缝的内在质量。为解决这一矛盾，可适当增大内焊焊接电流，同时适当降低焊接速度，也可调整外焊前丝倾角。适当增大外焊前丝前倾角（但不宜超过12°），电弧力对熔池金属后排的作用增强，熔池底部的液体金属层变薄，熔深增大。这样，可在较小焊接电流条件下获得较大熔深，既保证了焊缝的内在质量，又保证了焊缝的外观质量。
1.1.2焊接电压
在其他条件不变时，电弧电压增大，焊缝熔宽显著增加而熔深和余高将略有减小，如图4所示。
随着焊接电压的增加，电弧长度增加，电弧斑点的移动范围扩大，熔池变宽，会得到较宽的焊缝成形。因为螺旋埋弧焊管的外焊是在斜坡上进行焊接，熔融状态的焊缝金属在重力作用下会发生侧向流淌。可见，焊接电压越大，熔池越宽，焊缝金属发生侧向流淌的趋势就越严重，最终导致焊缝金属偏流。因此，为获得较好的外焊缝成形，可适当减小外焊前后丝焊接电压。
1.1.3 焊接速度焊速对熔深和熔宽均有明显影响，焊速较小时（如单丝埋弧焊焊速小于0.7 m/min时）熔深随焊速增加略有增加，熔宽减小。但焊速达到一定数值后，熔深和熔宽都随焊速增大而明显减小，如图5所示。随着管线钢不断向高钢级、大直径、大壁厚方向发展，提高焊速的局限性将随之增大。阻碍螺旋焊管高速焊的主要原因是焊缝成形的恶化和咬边等缺陷的产生。但若选择优化的焊接条件，仍可获得良好的焊缝成形。
采用双丝（或多丝）埋弧焊是一种既能保证合理的焊缝成形和良好的焊接质量，又可提高焊接速度的有效方法。双丝埋弧焊的基本原理是：前丝通直流电，采用大电流和低电压，可使焊速高，熔深大，但焊缝成形不好；后丝通交流电，采用小电流和高电压，形成一个熔宽大、熔深小的局面，同时利用前后两个电弧场之间的电磁作用，有利于消除咬边又防止裂纹，这样前后丝同时焊接，可达到高速、深熔、成形好、无裂纹和无咬边的目的。1.2焊接工艺因素对外焊缝形状的影响及控制
1.2.1焊丝偏心距
螺旋焊缝是沿着不断形成的螺旋线的运动方向而焊成的，因此在焊缝上未凝固的液体金属将随着所处的空间位置的变化而流淌。若要保证获得良好的焊缝形状，必须使熔化而流动的液体金属在倾斜的母材上具有稳定的凝固条件。因此，外焊点应在钢管顶点且逆旋转方向偏移一段距离，使熔池金属凝固时接近于水平位置，以获得较好的焊缝成形。
外焊点偏心距的选用与管径成正比。管径愈大，偏移量也应较大；管径愈小，偏移量也应减小。一般直径为273~1 020 mm的钢管，其下坡偏移量可在10~100 mm范围内取值。下坡偏移量过大，焊缝熔宽增加，熔深减小，易造成未熔合，焊缝呈扁平或中凹的“马鞍”形，如图6所示；下坡偏移量过小，熔深增加，焊缝窄而高，易造成咬边缺陷，焊缝呈中凸的“鱼脊”形，如图7所示。
1.2.2 前后丝倾角及侧倾角
在螺旋埋弧焊管生产中，当焊丝在一定的倾角内后倾时，电弧力后排熔池金属的作用减弱，熔池底部液体金属增厚，熔深稍有减小，而电弧对熔池前方的母材预热作用加强，故熔宽增大。从双丝埋弧焊调整的经验来看，前丝采用直流前倾，主要是保证焊缝熔深；后丝采用交流后倾，主要是来改善焊缝表面形状。如图8所示，α1、α2分别为前丝和后丝与垂直中心线间的夹角。α1在较小范围内增大时，熔深无明显变化，熔宽减小，而α1过小时，焊道中间有棱，呈“鱼脊”形状；而α1较大时，对防止气孔和裂纹不利，易造成未熔合或咬边，使焊缝成形变坏。α1一般应控制在12°以下，在选择α1时常常使前丝延伸方向近似通过钢管中心。α2增大时，焊缝成形无明显变化。当α2较大时，焊道中间出现凹陷，且焊道两侧有小夹渣等缺陷，α2一般应控制在20°以下。
螺旋埋弧焊管的外焊点位置位于斜坡上，熔融状态的焊缝金属在重力作用下会产生向成型缝自由边一侧侧向流淌的现象，容易导致焊缝偏流，选择合理的侧倾角可有效减缓焊缝金属侧向偏流的现象。通常选择焊丝指向成型缝递送边的侧倾角为8°~16°。
1.2.3 焊丝间距
双丝埋弧焊焊丝间距的大小对电弧的稳定性及双弧的热效应影响较大，并直接影响焊接质量和焊缝成形。间距太小时，往往易在两丝间产生第3弧，使双弧热效应降低，影响熔深；易出现两丝电流干扰严重，破坏正常的稳定焊接过程，易产生“粘渣”现象，使焊缝的脱渣性下降；焊缝窄而高。间距太大时，熔池延长，熔深减少，焊缝加宽，焊缝高度减小；前、后丝在一个熔池两个弧坑中，并在两个弧坑间由于电弧吹力作用使熔池中形成一个凸起，这个动荡的凸起对电弧的稳定性影响很大，使焊缝外观成形变差。
焊丝间距的选用与管径成正比。管径愈大，焊丝间距可适当加大；管径愈小，焊丝间距可适当减小。一般焊丝间距常取8~20 mm。焊丝间距初步选定后，可通过观察焊缝成形情况进一步调整。若焊缝窄而高，可适当增大间距；若焊缝宽而低，可适当减小间距。
1.2.4 焊丝伸出长度
双丝焊中焊丝伸出长度对焊接质量影响也较大。焊丝伸长量过大，电阻很大，则电阻热便增加，结果使熔深减小，熔合不良，焊剂堆比高度增加，焊缝凸出量提高。另外，导电嘴热量增高，易过热氧化甚至烧红，缩短导电嘴寿命。焊丝伸长量过小，影响焊剂堆比高度，甚至出现明弧，熔深增加，凸出高度减小，影响焊缝成形。
在螺旋焊管生产中，前丝直径多用4 mm，后丝直径多用3 mm。前丝为了保证熔深，采用直流反接，要求大电流、低电压，因此前丝伸长应尽量选择短一些，但也不能太短，一般为28~40 mm。后丝采用交流，要求小电流、高电压，以便加大熔宽，保证良好的焊缝成形，因此后丝伸长量可选择稍长些。由于后丝直径一般比前丝细且焊丝间距较小而前后丝又都有倾角，易发生两丝接触和交叉，严重破坏焊接过程的稳定性，故其伸长量也不宜太长，一般选择24~36 mm。
1.3 结构因素对外焊缝形状的影响及控制
1.3.1 焊接坡口
生产大壁厚螺旋埋弧焊管时，为保证内外焊道的熔深、减小焊缝余高以及焊缝力学性能满足标准要求，一般均采取钢板边缘开Y形或X形坡口后进行埋弧焊接。选择合理的焊接坡口形式是提高螺旋埋弧焊钢管焊接质量的关键。坡口形式的选择，可参照GB/T 985.2—2008《埋弧焊的推荐坡口》给出的推荐坡口形式。在其他条件相同时，随着坡口角度的增加，焊缝高度和熔合比明显降低，熔深明显增加，焊缝宽度略有增加，焊缝与母材的过渡角也明显增加。除坡口角度外，要获得良好的焊缝成形，坡口深度和钝边量控制也很重要，不容忽视。
1.3.2 成型
螺旋埋弧焊管生产中，成型和焊接是同步进行的，因此焊接质量的好坏与成型的稳定性密不可分。成型缝时紧时松、“噘嘴”、内紧外松、内松外紧、螺距窜动、局部错边，板边挤厚、切口不齐、波浪、毛刺以及坡口不规则等均会导致焊缝成形不良和咬边、烧塌、气孔、夹渣等缺陷的产生。因此，发现成型不稳时必须及时调整。
1.4焊剂对外焊缝形状的影响及控制螺旋埋弧焊管焊缝成形质量与焊剂化学成分、黏度、堆积密度、颗粒度和堆积高度等因素密切相关。
1.4.1化学成分和黏度焊剂成分对焊缝成形有很大影响。尽管各焊剂厂家生产的焊剂均符合GB/T 5293—1999标准的要求，但由于其配方不同，其冶金性能和工艺性能等也不尽相同。在选择使用时，我们可以通过观察、试验、分析和比较，选用最佳者。所选用的焊剂应确保具有良好的冶金性能和工艺性能，电弧燃烧稳定，熔渣具有适宜的熔点、黏度和表面张力，且焊缝成形良好，脱渣容易以及产生的有毒气体要少。
一般认为焊剂黏度小，改善了熔渣的流动性使焊缝成形良好。高黏度焊剂所得焊缝没有波纹，但成形不良。使用熔点特别低的焊剂时，焊剂熔化量较多，焊接熔池表面压力较大，造成气体析出困难，气体集中在熔渣下面，使焊缝成形也不稳定。为获得良好的焊缝成形，电弧腔周围的熔渣厚度要合适，随温度变化的黏度要适中。试验证明，表面成形良好的焊剂在1 400℃时黏度在2 dPa·s为佳。
1.4.2 堆积密度和颗粒度
采用堆积密度较小的焊剂所得的焊缝低而宽，熔深较浅，从焊缝边缘到基本金属表面有较均匀的平缓过渡。采用堆积密度小的焊剂时，由于透气性较大，其弧腔中蒸气压比用堆积密度大的焊剂要小，所得焊缝要宽，熔深小。当蒸气压增高时对焊接熔池加热强烈，焊剂的分解和蒸发消耗热能较大，造成电弧腔压加大，电弧长度减小，所以采用堆积密度大的焊剂时所得焊缝较窄，熔深大，焊缝凸起，外观不佳。
在每一种情况下，颗粒度较小的焊剂显示较小的堆积密度。值得注意的是，焊剂颗粒度应均匀，否则使堆积密度增加，把颗粒间的空隙填死，堵住气体排出的通道，使焊缝表面产生“麻点”的机会增加。在大线能量焊接时，采用细颗粒焊剂比粗颗粒焊剂好。采用细颗粒焊剂，由于具有较小的堆积密度，说明焊剂颗粒间空隙较多其透气性较好，有利于气体的排出，可改善电弧空腔的稳定性，使焊缝表面成形良好，有助于减少焊缝表面“麻点”。
1.4.3 堆放高度
焊剂堆放高度与焊接熔池表面的压力成正比。焊剂堆放得愈高，处在金属与熔渣界面上的气泡受上部焊剂施加的压力愈大，气泡愈不易跑出去，相对应的气泡内部压力增加，对液态金属表面的压力增大，留下的气泡压痕愈深。因此，在保证不明弧的条件下应尽量降低焊剂堆放高度，或采用堆积密度较小的浮石状焊剂以减轻焊剂对气泡的压力，以消除或减少“麻点”。一般焊速下堆放高度为25 mm左右，在高速焊接时焊剂堆放高度更应降低。这样，可获得表面光滑、波纹均匀细致的焊缝，且脱渣性好。1.5焊接设备对外焊缝形状的影响及控制
1.5.1焊机与控制系统的匹配
电弧的稳定燃烧是保证满意的焊缝成形和内在质量的关键。电弧的稳定燃烧是由焊丝的送给速度和焊丝的熔化速度来决定的，当二者速度一致时电弧就稳定燃烧。在实际焊接生产过程中，弧长的变化及电网电压的波动等在所难免，这就需要选择合适的电弧控制方式，才能保证焊接电弧不受外界的影响而又能稳定燃烧。焊接电弧的控制有三种方式：一是电弧自身调节系统（常称焊丝等速送丝系统），二是电弧固有的调节系统，三是电弧电压自动调节系统。控制焊丝的送给速度常有均匀送给和等电弧电压送给两种方式，并与焊接电源的外特性曲线和电弧的静特性曲线有关。林肯焊接设备具有电源和控制系统稳定、特性好、故障率低、寿命长等优点，因此目前国内大型管厂大都采用林肯焊机。林肯直流焊机DC-1500匹配NA-5或NA-3S控制系统。
林肯交流焊机AC-1200匹配NA-4控制系统。DC-1500有三种工作方式：一是CV INNERSHIELD（恒压保护焊），二是CV SUBMERGED（恒压埋弧焊），三是VV SUBMERGED（下降特性埋弧焊）。NA-3S控制系统有CC（恒流）和CV恒压）两种控制方式。由于钢管焊接常规内焊电流在600~1 000 A，外焊电流在800~1 200 A，焊接电流密度很大，远远超过50 A/mm2的特点，因此采用焊丝等速送给来维持电弧稳定燃烧是可以的，电源外特性曲线可采用陡降的或恒流外特性曲线均可得到电弧稳定燃烧，即DC-1500工作方式应选择VV，而与之匹配的控制系统NA-3S应选择CC控制方式。当钢管壁厚较薄，焊接电流小于400 A（焊接电流密度小于50 A/mm2）时，采用焊接电压恒压控制，则电源外特性曲线采用缓降型较好，即DC-1500工作方式应选择CV SUBMERGED，而与之匹配的控制系统NA-3S应选择CV控制方式。
1.5.2焊机容量
DC-1500焊机常规使用最大焊接电流在1200A左右，AC-1200焊机常规使用最大焊接电流在800 A左右，焊接电流过大，焊机的稳定性变差且容易损坏。但近年来随着螺旋焊管向大壁厚、大直径方向发展，以及焊接技术的进步和焊速的不断提高，相应的焊接参数不断变大，采用单台林肯焊机生产时，焊机的故障率明显增高，稳定性变差。当DC-1500焊机焊接电流超过1 300 A时，焊机实际的输出电流比操作箱上设定的电流值小，焊接参数达不到规范要求，因而产生未焊透、连续气孔、咬边、焊道不规则等，焊接缺陷明显增多。为解决这一问题，可采用两台DC-1500焊机并联的方法。焊机并联技术的应用，可大大增加焊机的可靠性，以确保焊接质量的提高和良好的焊缝成形。
1.5.3焊接设备故障
钢管正常焊接过程中，在其他各工艺条件不变的情况下，有时焊缝成形突然恶化，这很可能是由于焊接设备某零部件出现了故障而引起的。比如，DC-1500焊机6只可控硅中有1只损坏，而另外5只仍能正常工作，这时虽然能焊接但输出不稳定，焊接质量变差。状态开关位置不正确、电源输入缺相或接触不良、可控硅触发不可靠、送丝系统故障、反馈电路故障等均会导致类似情况的发生。因此，确切诊断并及时排除焊接设备故障同样也是确保焊接质量及焊缝成形的重要因素。
1.5.4其他须注意的问题
应用双丝焊时，跟踪轨道（轴向微调轨道）应与钢管的轴向一致，这样，在调节跟踪（轴向微调）时，不会影响偏心距，否则将影响焊缝成形。偏心距调节机构的导向杆应与钢管螺旋线方向一致，这样在调整偏心距时可使焊丝不偏离焊道，从而保证正确的焊点位置而不影响焊缝成形。指示灯、前丝、后丝必须对正，以防止焊偏、未焊透、双焊道、焊缝成形不良等缺陷的产生。
2 获得良好焊缝成形的特殊途径
2.1 采用磁控电弧焊
电弧焊所形成的熔池是带电流体，当在熔池附近引入一个外加磁场时，熔池液体金属将产生一个附加的电磁作用力。熔池中各点电流场分布是很复杂的，外加磁场在熔池中的分布也是变化的，因此熔池中各点产生这一附加的磁场搅拌是肯定的，这种搅拌作用将取决于外加磁场的方式、强度及焊接电流的大小。横向磁场及纵向磁场将对焊接熔池产生一个垂直向上的作用及相应的搅拌运动，同轴磁场将使熔池做不规则的圆周运动，改变磁场频率及强度，将使这种运动得到调节。采用合理的磁场形式、频率及强度，将有助于改善焊缝成形，包括消除咬边、气孔、热裂纹，使熔深和反面成形极为均匀。
2.2 采用预精焊工艺
预精焊生产工艺也称两步法生产工艺，它主要由预焊和精焊两部分组成。其主要含义是：在制造螺旋埋弧焊管时，将钢板成型后先用气体保护焊进行预焊（定位焊），然后再将成型后的管坯在专门的焊接工作台（精焊工作站）上进行埋弧焊接，从而使成型过程和焊接过程得以分别独立进行。这一工艺有效解决了成型和焊接之间的相互干扰问题，充分利用成型和焊接的各自特点，实现高速成型和低速焊接的有机结合，使生产率大幅提高，残余应力得到有效控制，同时螺旋埋弧焊管固有的缺陷得到根本性改善，焊缝外观质量更趋于美观易控。
3 结语
影响螺旋埋弧焊管外焊缝形状的因素是多方面的，因此在生产实际中，必须综合考虑各个因素，合理选择与控制各个参数，必要时可采取特殊途径。良好的焊缝成形，不仅可以防止焊趾处的应力集中，降低防腐成本，确保防腐质量，而且还可以赢得客户口碑，提高企业声誉，为企业创造更大的社会与经济效益，因此不容忽视。