高效优质的埋弧焊

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——米勒埋弧焊技术在钢结构加工厂的应用

圣-乔治钢结构加工厂通过使用米勒的平衡可调式交流方波埋弧焊接电源大大提高了生产能力。

圣-乔治结构钢加工厂通过运用米勒电气制造公司的Summit Arc 1250TM焊机独家专有的平衡可调式交流方波技术，不仅使焊接时间缩短了60%，焊接质量得到提高，更不用再担心过多的热输入、焊接变形和降低韧性，焊道完全焊透，全部通过X-射线检测（如图1）。

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图1  焊道横断面

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澳大利亚墨累的圣-乔治钢结构加工厂北方设备公司成立已经50多年，达到美国机械工程师学会标准的U及R级水平，可以为用户提供优质产品、合理价格和周到及时的服务。圣-乔治钢结构加工厂以加工制造大、重型焊接件闻名，生产产品包括风塔、高压罐、烘箱、集装箱、油罐及水箱等。

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消除损害

在采用米勒平衡可调式交流方波埋弧焊接技术前，圣-乔治钢加工厂一直采用直流正极性极或负极性电弧焊，单丝焊接是过去采用的唯一一种焊接方法（如图2）。

图2   内部法兰焊接

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单丝直流埋弧焊接限制了加工厂的生产制造能力。工厂可能只会将目光投注于下面三个主要变量中的一个：高熔覆率，理想的焊接熔深及较低低热量输入。

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直流正极性电弧焊是一种使电流从电极流向工件的焊法，在该焊法中，需要对工件进行预热，且预热程度要高于电极。这种焊接方法在焊趾位置能形成更深的焊接熔深并保证良好的清理效果。然而，该方法堆焊效率低，热输入高，不适合较长焊缝的高速焊接，也不适合焊接易变形工件（如油罐）和热处理材料（如4130，4140）。过度的热输入可能会使母材金属稀释作用增强、降低焊缝的合金成分比例，也就更易产生裂纹。

直流负极性电弧焊能降低母材金属的稀释作用和焊件变形的问题。然而，因为热量是从钢板流向电极的，这会导致焊道熔深不够。直流正极性电弧焊堆焊率较高，但在小安培电流下焊接性差。只有降低生产效率，这种情况才会有所改善（如图3）。

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图3  四个壳层焊接

因此焊接设备供应商Airgas-Intermountain公司建议圣-乔治钢结构加工厂引入米勒Summit Arc 1250埋弧焊机。这种“全工艺”埋弧焊系统为交/直流输出，1000A/44V下暂载率为100%，并且电源为三相交流电源输入。最为重要的是，该焊机为圣-乔治结构钢提供了一个新的故障处理工具。 平衡可调式方波焊接电源可解决常见的直流埋弧焊引起的问题，对于圣-乔治结构钢这样的加工厂可以通过调整输出波形的正负比例来控制钢板和电极的热输入量。

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该焊接方法可保障下列三种属性中的两种，而不仅仅是一种。焊工可以实现更大的熔深、更高的熔覆效率和更小的热输入量。米勒焊机为圣-乔治钢结构厂最大限度地实现了焊接生产最优化，最佳平衡匹配是66%~40%的EP焊接或34%~60%的EN焊接。

12英寸外壳

当一个大型焊接任务需要增加产量时，圣-乔治钢结构厂添加了4台米勒Summit Arc 1250埋弧焊机系统。该任务需要把一块长×宽×厚为40ft×10ft×5/8in（1ft=12in=304.8mm）的碳钢板制成直径为12ft（1ft=304.8mm）的圆筒。首先用一台等离子切割机按尺寸下料，接着在卷筒机上卷成一个大圆筒。用MIG焊将纵向接缝焊合，制成圆筒形壳体。焊缝向上，对外焊缝采用埋弧焊接，然后壳体翻转180 ，对内焊缝进行焊接，以保证100%焊接熔深。该工序采用直流埋弧焊工艺。

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然而，因焊速要求的增长，技术人员打算在下一个加工工序采用平衡可调交流方波焊接工艺。下个工序要把规格为2-1/2in（1in=25.4mm）的法兰与底壳焊在一起，接着再把小法兰与另外三个壳体焊接到一块。焊接完毕后，10ft高的壳体部分会连在一起，形成一个连续的40ft长壳体。焊缝必须沿每个壳体周边由内及外进行焊接。为保证完成这一任务，圣-乔治加工厂装配了一个架式系统，该系统将圆筒放置在一个管状基座上，通过一组随动凸轮机构转动圆筒体，该系统可保持圆筒之间角度一致以及焊接的可重复性操作（如图4）。

图4  外部焊道

这样一个Summit Arc 1250焊机设备既能焊接壳体的内焊缝，又能焊接壳体外焊缝。技术人员布置了一个转换器，允许焊接操作在2个米勒HDC 1500控制系统，RAD送丝组件，焊剂漏斗及OBT 1200焊枪之间进行转换。将一个焊接部件放置在作业平台顶部，焊接外焊缝（第一道和最后一道），另一个焊接部件放置在车间地面上用来焊接内焊缝（如图5）。两大焊接部件均可随意摆动，并做上下前后的移动以利于焊接位置的准确定位。

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图5  装配

滚筒、装配架及送丝组件这一装配台能保证装配的一致性，同时还有一些辅助装置，可消除内外焊缝转换时的停机时间，如挪动一个装配台过来，旋转到位，而后进行焊接操作。

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节省60%的焊接时间

把法兰焊到壳体（如图6）上需要在圆筒内部和外部进行焊接（把壳体钢板按一定斜角放置，将需要焊接的两个焊件预热至93℃）。采用DC EP直流正输出埋弧焊，需要焊接5道，焊速平均为15in/min，焊丝规格为5/32inAWS EM12K。而使用同一种焊丝，采用平衡可调交流方波工艺，参数为66%EN +34%EP，Summit Arc 1250焊机只需要焊接3道，平均焊速为22in/min。

图6  壳体视图

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以15in/min焊速焊接一个直径为12ft的圆筒件需要60min，采用旧式DC EP工艺焊接同样的壳体最少需要300min。为保证层间温度不至于太高，壳体还需要时间进行冷却，所以实际的操作时间可能还会更长。而平衡可调式方波焊接工艺只需123min，并且操作热输入量小，焊道少，无需等待焊接件冷却，使用焊剂量少。

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热输入量过高将导致各种各样的问题，如冷却时焊接件收缩，按照规定壳体允许公差为1/4in。 在使用直流焊接工艺时，如果不控制好层间温度，法兰因拉伸现象就会远远超出规定公差，法兰与壳体之间将不再是直角，且不可恢复。

冰山一角

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由于壳体项目的运行时间有限，圣-乔治钢结构厂技术人员没有充分地探究新焊接系统的可行性。该焊接系统能做的不止这些，例如使用这种工艺将两块5/8in厚的钢板对接，每焊一道，可以实现100%的焊接熔深，同时保证焊接表面宽度只有3/4in。这样可以不需要开坡口，避免浪费焊材和产生过多的输入。

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另一项技术升级就是米勒的数字编程式HDC控制器，该控制器可以预设并锁定12套焊接程序。圣-乔治钢结构厂负责人表示，通过采用米勒的数字编程式HDC控制器，不仅可以为客户提供高质量的焊接，而且能保证整个工作流程的质量稳定性。通过预先设定并锁定工作参数，而后将这些参数应用到工作流程中。

除了能节约操作时间外，米勒自动埋弧焊焊接技术还可以使钢结构厂生产能力更强，进而极大地增强产品的市场竞争能力。【MechNet】