王國路，王小力

隨著焊接工藝技術(shù)的發(fā)展，研究高性能的焊接接口防護(hù)方法，通過先進(jìn)的連接技術(shù)和熔鍍技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口的防腐保護(hù)優(yōu)化，改變焊接工藝參數(shù)的同時(shí)，提高機(jī)械部件的防腐性。當(dāng)前對機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口的防腐保護(hù)方法主要有化學(xué)方法、電極控制方法、電鍍方法以及高壓干法等，通過電弧控制，構(gòu)建機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口的防腐保護(hù)控制的環(huán)境結(jié)構(gòu)模型，通過改變焊接工藝參數(shù)，結(jié)合電流脈沖控制方法，進(jìn)行機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口的防腐保護(hù)，提高焊接工藝穩(wěn)定性。首先在不同焊接工藝參數(shù)下，建立機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口的防腐的電化學(xué)試驗(yàn)和微觀組織分析模型，通過焊接電弧的輸出功率分析和焊層開路電位分析的方法，然后進(jìn)行機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口的脈沖模擬，通過脈沖電流熔鍍的方法，進(jìn)行堆焊層腐蝕性能分析，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出有效性結(jié)論。

1 機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口腐蝕狀態(tài)分析

機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口的防腐保護(hù)是建立在對焊縫表面成形特征分析基礎(chǔ)上，結(jié)合對磁場強(qiáng)度特征分析，在整個(gè)金屬表面采用物理溶解等方法，進(jìn)行區(qū)域腐蝕情況分析，在碳遷移對焊接接頭特征分析中，采用焊接接頭腐蝕性能微觀參數(shù)模擬的方法，分析焊縫的微觀細(xì)粒度特征，結(jié)合焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的化學(xué)作用特性，采用碳、碳- 錳的低合金鋼等實(shí)現(xiàn)氧化反應(yīng)控制，提高機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口的耐腐蝕能力。當(dāng)期，對機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口腐蝕研究的方法主要有重量法、動(dòng)態(tài)極化曲線法、電化學(xué)阻抗譜等。最早將交流阻抗技法應(yīng)用在雙電層和擴(kuò)散性電極材料的防腐研究中，通過阻抗數(shù)據(jù)分析，建立動(dòng)態(tài)極化曲線分析模型，實(shí)現(xiàn)對機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口的焊接電壓、脈沖峰值電流等參數(shù)解析，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口的防腐控制，工作電極試件如圖1所示。

圖1 工作電極試件

2 機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口防腐參數(shù)解算及防腐優(yōu)化

2.1 機(jī)械設(shè)備焊接補(bǔ)口預(yù)處理與預(yù)涂處理

目前，國內(nèi)的補(bǔ)口機(jī)研制已形成系列，可適用于各種管徑的長直管線內(nèi)補(bǔ)口。補(bǔ)口機(jī)主要由行走控制車、噴涂車、除銹車、攝像檢測車、內(nèi)涂層質(zhì)量檢測儀以及同位素放射源組成，各車之間由萬向節(jié)連接。先焊后補(bǔ)是在管道對口焊接安裝完成后對焊縫部位實(shí)施防腐層內(nèi)補(bǔ)口。補(bǔ)口時(shí)，將高壓無氣噴涂機(jī)送到管道內(nèi)壁焊縫處進(jìn)行噴涂作業(yè)，因此又稱為內(nèi)補(bǔ)口機(jī)法，這種補(bǔ)口類型也是當(dāng)前管道內(nèi)防腐采用的主流形式?？紤]到不同類型的機(jī)械設(shè)備自身原材料存在差異性，造成設(shè)備自身在使用中存在穩(wěn)定性差、結(jié)構(gòu)性能較劣的問題，為了避免在進(jìn)行機(jī)械設(shè)備焊接補(bǔ)口處理時(shí)，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)性能與參數(shù)異常，應(yīng)在相關(guān)研究前，進(jìn)行設(shè)備焊接補(bǔ)口位置的預(yù)處理與預(yù)涂處理。下文將對提出的內(nèi)容展開進(jìn)一步的分析。

進(jìn)行機(jī)械設(shè)備焊接補(bǔ)口預(yù)處理主要是確保焊接時(shí)設(shè)備結(jié)構(gòu)表層的清潔度，并對原有結(jié)構(gòu)上的銹蝕與異物進(jìn)行清除，通過此種方式，使機(jī)械設(shè)備焊接補(bǔ)口達(dá)到一種耐腐蝕的效果，也確保在后續(xù)的預(yù)涂工作時(shí)金屬涂膜具有較強(qiáng)的附著力。目前，制造行業(yè)在此方面的主要使用措施有四種。其一為拋丸處理，此種預(yù)處理方式在實(shí)際應(yīng)用中，可以將機(jī)械表層已經(jīng)發(fā)生氧化的表皮層與鐵銹殘?jiān)M(jìn)行清潔處理，處理方法的作業(yè)效率較高，但在實(shí)際作業(yè)時(shí)，此種行為極易受到場地與作業(yè)環(huán)境的限制，出現(xiàn)拋丸異常。并且，提出的預(yù)處理方法存在使用中的局限性，無法滿足澆薄材質(zhì)鋼板的處理需求。其二為干式噴砂處理方法，相比第一種預(yù)處理方法，此種方法的處理效率更高，在實(shí)際作業(yè)中，即便使用形狀結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，絮也可以實(shí)現(xiàn)對整體結(jié)構(gòu)表層的除銹與清潔處理，但此方法也存在一定的缺點(diǎn)，例如，方法在使用中的耗能較高，使用中會排放污染物質(zhì)，一旦處理不及時(shí)或處理方法不當(dāng)，便會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。其三為濕式噴砂處理方法，相比干式噴砂處理方法，此方法可以在處理中將水源作為輔助處理材料，可以解決上述提出方法存在的污染方面問題，但水體與機(jī)械設(shè)備金屬表層發(fā)生解除后，會加劇表層的后續(xù)銹蝕。其四為噴鐵砂處理法，此種預(yù)處理方法的表層處理能力較強(qiáng)、處理效率相對較高，即便是整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備也可以使用此種方法進(jìn)行表面處理，并且使用中此方法不會造成環(huán)境的污染，但仍無法避免方法在使用中存在的耗能高問題。綜合上述對四種預(yù)處理方法的分析，可在實(shí)際處理工作，根據(jù)不同類型的機(jī)械設(shè)備，選擇不同的處理方法，確保在預(yù)處理滿足需求的同時(shí)，將處理耗能降至最低。

完成對機(jī)械設(shè)備焊接補(bǔ)口的預(yù)處理后，進(jìn)行補(bǔ)口位置的預(yù)涂處理研究，可以將此步驟作為設(shè)備保護(hù)、裝置涂裝的前提條件，在處理時(shí)，可通過預(yù)涂的方式，將結(jié)構(gòu)中一些邊角位置或難以直接處理的接口位置，進(jìn)行均勻涂漆，確保焊接補(bǔ)口預(yù)處理的完善性。綜合上述對預(yù)涂處理的研究，可將預(yù)涂處理作為預(yù)處理的補(bǔ)償步驟。大部分機(jī)械設(shè)備在完成焊接后，其補(bǔ)口位置的焊接點(diǎn)會先發(fā)生腐蝕，而此類位置也是設(shè)備上最難發(fā)現(xiàn)的位置，這些位置的銹蝕點(diǎn)會隨著時(shí)間的流逝出現(xiàn)擴(kuò)大化現(xiàn)象，從而加劇對設(shè)備的腐蝕，最終對機(jī)械設(shè)備在使用中的整體性能造成干擾。因此，在預(yù)涂處理時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意此部分結(jié)構(gòu)的處理，避免出現(xiàn)“因小失大”的問題。在預(yù)涂處理時(shí)，可將圓頭刷頭作為涂漆的工具，使用細(xì)頭部位蘸取少量的涂料，按照“少量多次”的涂漆原則，進(jìn)行死角位置的均勻涂抹，以此種方式，確保預(yù)涂處理可以達(dá)到既定的效果。

2.2 不同壓力狀態(tài)下的焊接電壓電位值分析

在電極反應(yīng)過程中，通過機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口防腐控制，得到反應(yīng)出金屬腐蝕試件行為的微觀參數(shù)分析模型，得到機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口防腐控制的電極反應(yīng)過程分析表見表1。正負(fù)電極間具有一定的電壓，而且兩電極間的氣體介質(zhì)應(yīng)處在電離狀態(tài)。對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行焊接時(shí)，通常是將兩電極（一極為工件，另一極為填充金屬絲或焊條）接通電源，短暫接觸并迅速分離，電源保持兩極之間一定的電位差，即可維持焊接工作持續(xù)進(jìn)行。

表1 焊接電壓和強(qiáng)度的關(guān)系分析表

根據(jù)上表1 可知，所采用的GB/T 8110 焊絲進(jìn)行機(jī)械設(shè)備，在焊接后補(bǔ)口的防腐補(bǔ)焊設(shè)計(jì)中，可提高焊接材料的防腐蝕性，在WXC2.4DL1 型載人高壓焊接系統(tǒng)中進(jìn)行機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口的防腐保護(hù)設(shè)計(jì)。

根據(jù)上述對機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口的防腐接口的點(diǎn)位分析，應(yīng)用Nikon-ECLIPSE-MA200 焊接平臺，進(jìn)行機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，建立機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口的電極參數(shù)分析模型，采用Nikon-ECLIPSE-MA200 金相顯微鏡，進(jìn)行對機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口的微觀組織形貌分析。

圖2 機(jī)械設(shè)備未焊接前接口金相微觀組織圖

機(jī)械設(shè)備焊接接口組織形態(tài)變化可以通過分析焊接過程在金相微觀組織變化上的反映得到。在合適焊接條件下，加熱時(shí)間短，合金鋼中的鐵素體以初晶形態(tài)析出，形成了如圖3 所示的微觀形態(tài)。機(jī)械設(shè)備焊接完成在進(jìn)行冷卻過程中，焊接補(bǔ)口組織變化情況與冷卻速度有關(guān)，在高溫段焊接補(bǔ)口在顯微鏡觀察下出現(xiàn)了條狀形貌。

圖3 機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口金相微觀組織圖

2.3 基于底漆處理的防腐優(yōu)化措施

在完成上述分析后，本章提出基于機(jī)械設(shè)備底漆處理的防腐優(yōu)化措施，在此過程中，優(yōu)選具有防腐性能的處理材料，按照預(yù)處理與預(yù)涂處理的方式，對機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口進(jìn)行均勻涂抹。然而，涂裝質(zhì)量無保證是該技術(shù)普遍存在的問題，主要體現(xiàn)在:涂層厚度不均勻、不穩(wěn)定；長距離涂裝作業(yè)時(shí)，因管道中部的干燥固化狀態(tài)不易判斷而使涂層不易控制，多次涂裝時(shí)容易將管道中間部位前一次未干燥固化的涂膜破壞；涂敷器在管道內(nèi)受管道變形度和焊縫的影響，行走速度不穩(wěn)，使整個(gè)管道的涂膜均勻性受到影響。在涂抹前應(yīng)做好對原始底漆的清潔處理，確保處理完成后，使用有機(jī)樹脂、防銹蝕的彩色燃料、輔助化學(xué)試劑等，進(jìn)行底漆的防護(hù)。相比常規(guī)的處理材料，采用此種混合材料進(jìn)行表層的清潔處理，不僅可以提升機(jī)械設(shè)備表層材料的性能，實(shí)現(xiàn)對熱處理焊接過程中損傷點(diǎn)的還原，同時(shí)也由于此類底漆處理材料中含有金屬鋅物質(zhì)，使得材料的防腐性能呈現(xiàn)一種較優(yōu)的使用效果。

完成上述處理后，進(jìn)行機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口的面漆處理，此處理步驟是機(jī)械防腐保護(hù)措施的最后一個(gè)步驟，也是直接影響到設(shè)備整體結(jié)構(gòu)使用性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，需要按照標(biāo)準(zhǔn)化的處理流程進(jìn)行面漆的處理，處理前的準(zhǔn)備工作包括：補(bǔ)口位置表層清潔、使用砂紙打磨表層，使其保持較高的粗糙度，以此提高面漆材料的附著度。在此基礎(chǔ)上，選擇脂肪族丙烯酸聚氨酯材料作為面漆的主要構(gòu)成材料，此種材料主要由助溶試劑構(gòu)成，在使用中具有較強(qiáng)的耐水性與隔絕性，并且材料中含有大量的F-C穩(wěn)定鍵位，可以避免的涂鍍后出現(xiàn)自動(dòng)脫落的問題。綜合上述分析，實(shí)現(xiàn)基于底漆處理的防腐優(yōu)化分析，實(shí)現(xiàn)對機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口位置的防腐保護(hù)。

3 焊接后不補(bǔ)技術(shù)

焊后不補(bǔ)技術(shù)又稱無內(nèi)補(bǔ)口技術(shù)，即焊后無需再進(jìn)行內(nèi)防腐補(bǔ)口。其大體思路如下：在施焊前對管端內(nèi)壁進(jìn)行處理，如電刷鍍、化學(xué)鍍、堆焊、噴焊、噴涂耐蝕合金或其他材料，然后選擇合理的焊接材料、焊接工藝等，在管道焊縫及其附近形成耐蝕防護(hù)體系。無內(nèi)補(bǔ)口技術(shù)原理見圖4。

圖4 無內(nèi)補(bǔ)口

4 實(shí)驗(yàn)測試

建立機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口的防腐的電化學(xué)試驗(yàn)和微觀組織分析模型，通過焊接電弧的輸出功率分析和焊層開路電位分析的方法，采用德國IM6 電化學(xué)腐蝕工作臺，進(jìn)行機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口的電機(jī)掃描，實(shí)驗(yàn)平臺如圖5 所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺

根據(jù)圖4 的實(shí)驗(yàn)平臺掃描的幅值從-300mV 到+300mV，得到機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口正弦波的幅值是10mV，通過高壓脈沖GMAW 與電化學(xué)工作站連接，構(gòu)建機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口的極化曲線分析模型以及電化學(xué)阻抗譜分析模型，得到機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口的極化參數(shù)。

低環(huán)境壓力下，焊接位置微組織成分主要為鐵素體與滲碳體，組織均勻且致密性良好，隨著環(huán)境壓力的升高，組織中鐵素體轉(zhuǎn)為針狀鐵素體，當(dāng)環(huán)境壓力升高時(shí)，焊接補(bǔ)口的組織均勻性與致密性降低，因此更容易發(fā)生腐蝕。

根據(jù)上述分析，通過Nyquist 和Bode 分析機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口的防腐能力，結(jié)合阻抗數(shù)值分析和環(huán)境壓力特征分析的方法，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口的防腐優(yōu)化設(shè)計(jì)，測試結(jié)果表明，機(jī)械設(shè)備焊接補(bǔ)口的腐蝕傾向隨焊接電壓增大而減小趨勢，焊接電壓越高焊接后補(bǔ)口的防腐能力越強(qiáng)。

5 結(jié)語

本文提出基于焊接工藝參數(shù)優(yōu)選控制和脈沖電流層防腐控制的防腐方法。在不同焊接工藝參數(shù)下，通過機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口防腐控制，得到反應(yīng)出金屬腐蝕試件行為的微觀參數(shù)分析模型，建立機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口的電極參數(shù)分析模型，進(jìn)行機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口的脈沖模擬，通過脈沖電流熔鍍的方法，進(jìn)行堆焊層腐蝕性能分析，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。測試得知，本文方法進(jìn)行機(jī)械設(shè)備焊接后補(bǔ)口防腐設(shè)計(jì)的效果較好，防腐性能較高。但此次研究僅從一個(gè)單一的方面進(jìn)行了防腐設(shè)計(jì)方法的測試，未能從多個(gè)方面對設(shè)計(jì)方法的可行性與有效性進(jìn)行證明，因此，需要在后續(xù)的研究中，加大對設(shè)計(jì)方法的實(shí)驗(yàn)研究投入，通過多次實(shí)驗(yàn)與多組數(shù)據(jù)進(jìn)行方法的進(jìn)一步推斷。同時(shí)，可在后期對防腐保護(hù)措施中增設(shè)機(jī)械設(shè)備保養(yǎng)環(huán)節(jié)，定期進(jìn)行設(shè)備焊接位置的表層清潔，保持設(shè)備的干燥性，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備在投入使用后的腐蝕現(xiàn)象，做好后期維修與養(yǎng)護(hù)，實(shí)現(xiàn)對腐蝕區(qū)域擴(kuò)散的控制，將設(shè)備損失降至最低，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備有效使用年限的提升。