焊接工艺对螺旋钢管内外质量控制的作用机制论文

　　摘要：文章围绕螺旋钢管焊接工艺对内外质量控制的影响展开研究，分析了焊接热输入、应力分布及工艺参数对焊接接头组织结构与缺陷形成的作用机理。研究表明，焊接热输入过大易导致晶粒粗化、韧性下降，过低则增加冷裂纹风险；焊接应力的叠加作用是内部缺陷的重要成因。通过优化焊接电流、电压、速度及预热温度，可提升焊缝成形质量，降低残余应力水平。试验结果显示，在合理工艺参数下，焊接接头力学性能稳定，几何精度满足要求，焊缝质量达到Ⅰ级标准。

 

　　关键词：螺旋钢管,焊接工艺,质量控制,焊接参数

 

　　随着能源和工业基础设施建设的快速发展，螺旋钢管因其优异的力学性能、较高的生产效率和经济性，在油气输送、建筑结构等领域得到广泛应用。焊接作为螺旋钢管制造的关键工艺环节，其质量直接影响产品的服役性能和使用寿命。近年来，随着高强度钢材的推广应用，以及服役环境要求的不断提高，传统焊接工艺在质量控制方面面临着新的挑战。

 

 

　　1.1焊接热输入对焊接区组织结构的影响

 

　　焊接热输入是影响螺旋钢管焊接接头组织结构的关键因素。通过系统研究表明，焊接热输入主要通过热循环过程影响焊缝金属和热影响区的冶金反应、相变行为及最终组织形态。在焊接过程中，焊接热源使局部区域经历快速加热-保温-冷却的热循环过程。焊缝金属区经历完全熔化后的凝固过程，初始奥氏体晶粒尺寸较大，冷却过程中发生不同程度的相变。热影响区则经历固态相变，根据峰值温度的不同可分为过热区、细晶区和部分相变区。研究发现，当焊接热输入过大时，冷却速度降低导致焊缝金属晶粒粗大，魏氏组织增多，韧性降低，热影响区晶粒粗化显著，且易形成马氏体等硬化组织。相反，过低的热输入会造成冷却速度过快，焊缝金属和热影响区容易产生淬硬组织，增加冷裂纹敏感性。

 

　　1.2焊接应力与内部缺陷形成机理

 

　　焊接应力的产生和演变过程直接影响螺旋钢管内部缺陷的形成。焊接过程中，由于局部快速加热和不均匀冷却，焊接接头各区域产生显著的温度梯度，导致热膨胀和收缩不协调，形成复杂的应力场［1］。研究表明，焊接应力主要包括热应力、相变应力和残余应力三个方面。热应力随温度场的变化而动态演变，在焊接过程中起主导作用；相变应力源于焊接热循环诱发的相变，其大小与相变体积效应及相变塑性有关；残余应力则是焊接完成后保留在接头中的永久性应力。这些应力的叠加作用可能导致焊缝开裂、气孔、夹渣等内部缺陷的形成。特别是对于高强度钢材，其较高的屈服强度和有限的塑性变形能力，使得焊接应力更易引发冷裂纹。

 

　　1.3焊接工艺参数优化策略

 

　　针对螺旋钢管焊接过程中的质量控制需求，构建了系统的焊接工艺参数优化策略。首先，基于热力耦合理论建立焊接温度场-应力场数值模型，分析不同工艺参数组合对接头性能的影响规律［2］。其次，通过正交试验确定焊接电流、电压、速度等关键参数的最优组合。研究发现，焊接电流主要影响熔深和焊缝成形，过大或过小都易造成焊接缺陷；焊接电压影响电弧稳定性和焊缝余高，需要根据坡口形式合理选择；焊接速度则直接关系到线能量与热输入，对焊缝金属的冷却速度有重要影响。此外，预热温度与层间温度对热循环过程有显著影响，需结合材料厚度与环境温度协同调控。在此基础上，引入遗传算法等智能优化算法，构建焊接工艺参数与焊接质量之间的数学映射关系，实现最优工艺参数组合的智能寻优，提升焊接一致性与结构可靠性。

 

 

　　2.1焊缝表面形态评价

 

　　焊缝表面形态是评价螺旋钢管外观质量的重要指标。通过对焊缝余高、宽度、咬边等几何参数的测量分析，建立了基于视觉检测的表面形态评价体系。研究表明，焊接电流与电压的比值（I/U）是影响焊缝成形的关键因素，当I/U在12~15范围内时，焊缝成形最佳［3］。如表1所示，不同工艺参数组合下焊缝几何尺寸存在显著差异。通过多因素方差分析发现，焊接电流对焊缝余高的影响达到67.3%，而电弧电压主要影响焊缝宽度，贡献率为58.9%。基于此建立焊缝形态预测模型，为工艺参数优化提供依据。

 

　　2.2焊接变形与几何精度控制

 

　　螺旋钢管在焊接过程中由于局部高温加热与非均匀冷却，极易引发径向缩径、轴向弯曲等形变问题，直接影响成品的几何精度和后续拼接精度，成为焊接质量控制中的关键难点。焊接变形量与线能量密切相关，线能量越高，焊接区域的热输入越大，导致热膨胀和冷却收缩不均，形成更大的残余应力和结构畸变。实验结果表明，当线能量超过1.8kJ/mm时，径向和轴向变形显著增加，需采取有效措施加以控制。针对该问题，提出采用分段焊接工艺，通过合理划分焊接节段，降低局部热集中度，减缓整体变形趋势；同时结合反向预置法，在焊接前施加适量的反向变形，通过弹性回弹抵消部分焊接应变，实现焊后结构的形变抵消。对于壁厚小于12mm的中薄壁钢管，实践证明，采用双面对称焊接技术可有效平衡内外热应力场，使径向变形控制在±0.8mm以内。为进一步提高几何精度，还应优化焊接顺序，合理设计定位夹具以约束焊接应力传导路径，并在焊后实施应力消除热处理工艺，如低温退火或局部加热回火，以降低残余应力水平，确保结构尺寸的稳定性与焊接过程的可重复性。

 

　　2.3表面质量影响因素分析

 

　　螺旋钢管表面质量主要受焊接飞溅、氧化皮和表面擦伤等因素影响。研究发现，短路过渡的频率和持续时间是控制焊接飞溅的关键参数。当采用脉冲焊接工艺时，通过优化脉冲参数可使飞溅量减少40%以上［4］，显著提升表面整洁度。此外，表面氧化程度受保护气体种类和流量控制影响显著。采用Ar+CO2混合保护气体（体积比80:20）能在电弧区域形成较稳定的气体保护层，既可保证良好的电弧稳定性，又能有效隔绝空气中氧气，从而减缓金属氧化反应，提升焊缝表面致密性与亮度。在实际生产中，通过调整气体流量至合适范围（如15~20L/min），可进一步增强表面保护效果［5］。同时，建立基于电弧电压、电流波动等特征信号的实时监测系统，并结合工艺参数设定警戒阈值，构建表面缺陷预警机制，能够在焊接过程中动态识别飞溅异常、电弧不稳等问题，及时干预，确保焊接过程稳定可控，显著提升螺旋钢管焊接表面的整体质量与产品合格率。

 

 

　　3.1优化模型的构建

 

　　基于焊接过程中的多物理场耦合特性，构建了包含热传导、相变、力学行为的综合数值模型。该模型采用有限元方法，将焊接温度场、应力场和位移场进行关联计算，实现对焊接过程的全面模拟。在模型中，热源采用双椭球热源模型描述，材料的热物理参数和力学性能均考虑温度依赖性。通过建立响应面模型，将焊接电流、电压、速度、预热温度等工艺参数作为自变量，以焊缝质量特征（熔深、余高、残余应力等）为目标函数，运用遗传算法进行多目标优化求解。同时，引入模糊综合评判方法，建立工艺参数-质量特征关联度评价体系，确定各参数的权重系数。通过该模型可预测不同工艺参数组合下的焊接效果，为工艺优化提供理论指导。

 

　　3.2内外质量协同控制方法

 

　　针对螺旋钢管内外质量的协同控制需求，提出了基于神经网络的自适应控制策略。首先，建立包含焊接电流、电压、速度、气体流量等参数的多维控制空间，通过BP神经网络算法建立工艺参数与质量特征的映射关系。其次，采用在线监测系统实时采集电弧特性信号、熔池图像和温度场数据，结合深度学习算法识别焊接异常。当检测到质量波动时，控制系统自动调整相关工艺参数，实现闭环控制。为解决内外质量指标之间的耦合冲突，采用层次分析法确定各项指标的优先级，建立多目标优化函数。通过模糊PID控制器实现工艺参数的动态调整，保证焊接过程的稳定性。同时，构建基于生产经验积累的专家知识库系统，记录典型工艺组合与对应质量结果，为复杂工况下控制策略优化提供经验支撑与决策依据，最终实现焊接质量的动态最优控制与全过程智能保障。

 

　　3.3质量控制指标体系

 

　　建立覆盖焊接过程的全周期质量控制指标体系。在焊前准备阶段，重点关注材料成分、焊接设备状态、环境条件等影响因素，制定相应的检验标准。焊接过程中的控制指标包括：工艺参数监测指标（电流稳定性≤±3%、电压波动率≤±2%、送丝速度偏差≤±2%）、焊缝成形指标（余高偏差≤±0.5mm、宽度误差≤±1mm、咬边深度≤0.3mm）、温度场控制指标（预热温度、层间温度、冷却速度）等。焊后质量评价指标涵盖：力学性能指标（抗拉强度、冲击韧性）、无损检测指标（射线探伤、超声检测合格率）、几何尺寸指标（直径偏差、椭圆度）、表面质量指标（粗糙度、防腐性能）等。通过建立分层递进的指标评价模型，实现对焊接质量的全方位管控。同时，制定相应的工艺纠偏措施，确保各项指标处于受控状态。

 

 

　　4.1试验方案设计

 

　　为验证所提出的焊接工艺控制方法的有效性，选用X70管线钢（壁厚12mm）进行螺旋焊接试验。试验采用埋弧自动焊，焊丝型号为H08MnMoA(φ4.0mm），焊剂采用HJ431。基于正交试验方法设计工艺参数组合，主要变量包括：焊接电流（260~320A），电弧电压（28~34V），焊接速度（45~5cm/min），预热温度（80~120℃)。试验过程中采用红外热像仪监测温度场分布，应变片测量焊接应力，三坐标测量仪检测几何尺寸。对焊接接头进行力学性能测试（抗拉、冲击、弯曲）和金相分析，采用X射线和超声波进行无损检测。每组工艺参数重复试验3次，以确保数据的可靠性。

 

　　4.2试验结果分析

 

　　通过系统的试验研究，获得了不同工艺参数组合下的质量检测数据，分析结果表明，工艺参数组合B（290A，31V，55cm/min，100℃)获得了最优的综合性能。在该工艺条件下，焊缝成形美观，内部质量良好，主要性能指标，如表2所示。

 

 

　　从焊接接头金相组织来看，工艺参数组合B获得了较为理想的组织形态。焊缝金属主要由针状铁素体和少量粒状贝氏体组成，晶粒细小均匀；热影响区组织过渡平缓，无明显的组织粗化现象。硬度分布均匀，焊缝区域硬度值控制在225±8HV范围内，避免了局部硬化。通过X射线探伤检测，焊缝内部未发现明显的气孔、夹渣等缺陷，达到Ⅰ级质量标准。

 

　　残余应力测量结果显示，优化后的工艺参数显著降低了焊接应力水平。环向残余应力峰值从168MPa降至142MPa，应力分布更加均匀。这主要得益于合理的预热温度和焊接热输入控制。几何尺寸检测表明，管体径向变形量控制在±0.6mm范围内，椭圆度偏差不超过0.8%，满足技术要求。

 

　　焊缝力学性能测试结果表明，接头抗拉强度达到598MPa，接近母材强度（625MPa）；-20℃冲击韧性均值为96J，断口呈韧性断裂特征。这表明通过工艺参数优化，有效保证了接头的强度和韧性匹配。弯曲试验结果显示，焊缝区域无裂纹产生，具有良好的塑性变形能力。

 

　　通过在线监测数据分析，优化后的工艺参数具有较好的过程稳定性。电流波动率控制在±2.5%以内，电压波动率不超过±2%，焊接过程平稳，飞溅量少。热循环曲线显示，冷却速度控制合理，t8/5冷却时间保持在15~18s范围内，避免了组织硬化。

 

 

　　焊接工艺在螺旋钢管制造过程中起着决定性作用，其影响贯穿于内外质量控制的各个环节。通过优化焊接热输入、合理控制应力分布、调整工艺参数，可有效改善焊缝组织、降低缺陷敏感性，并提升接头性能。焊接变形、焊缝表面形态及残余应力的协同控制，对产品的几何精度与服役稳定性具有关键影响。基于智能优化算法和多物理场耦合模型的焊接工艺优化方法，有助于实现高质量焊接控制，提高生产效率和质量稳定性。未来的研究可进一步结合实时监测技术与自适应调控策略，推动焊接质量控制的智能化发展。

 

 

　　［1］毕宗岳，谭赟，茹翔，等.螺旋埋弧焊管全管体扩径工艺与性能研究［J］.焊管，2023，46（1）：1-6.

 

　　［2］王洋，王猛，李建一，等.X80M钢级螺旋缝焊管对头性能分析［J］.钢管，2024，53（1）：64-68.

 

　　［3］王豪.一种钢肋螺旋缠绕焊接设备及工艺：CN2022104776 91.9［P］.2023-11-14.

 

　　［4］刘明，胡德虎.螺旋埋弧焊管预精焊预焊气孔成因及解决措施［J］.焊管，2023，46（5）：60-64.

 

　　［5］蔡文利，赵红波，张君，等.螺旋埋弧焊管焊接接头导向弯曲不合格原因分析［J］.焊管，2023，46（12）：72-76.