STT焊接技术及其在海洋工程中的应用

STT焊接技术及其在海洋工程中的应用徐玉强（海洋石油工程股份有限公司）摘要：针对熔化极气体保护电弧焊短路过渡工艺领域的新技术——STT焊接技术，从传统领域的局限、STT的原理、STT的波形控制与关键参数的选择原则，以及STT的技术特征、技术优势与应用前景等方面进行了分析，并对该项技术在海洋工程领域的应用进行了说明。

STT焊接技术的应用提高了焊接效率，降低了成本，缩短了海洋工程的建造周期。

关键词：STT 表面张力过渡短路过渡液态小桥基值电流峰值电流海洋工程海底管道结构钢管STT WELDING TECHNIQUE AND ITS APPLICATIONS ON OFFSHORE ENGINEERINGXu Yuqiang(China Offshore Oil Engineering Co., Ltd.)Abstract: STT (Surface tension transfer) is a kind of new short-circuit transfer mode of Gas Metal Arc Welding process. In this paper, limitations of traditional transfer methods, theory of STT, waveform control of STT and the key parameters selection principles are researched. The technical characters, advantages and prospects of STT are also studied herein. Nowadays, this kind of welding process is widely used in many aspects of offshore engineering. The applications of STT technique have improved the welding efficiency, reduced the cost and shortened the periods of offshore engineering projects to a great extent.Key Words: STT Surface tension transfer Short-circuit transfer Liquid mechanical bridge Background current Peak current Offshore engineering Subsea pipeline Structural steel tubular1．焊接技术与海洋工程石油、天然气作为当今世界的主要能源，既蕴藏在陆地的地层深处，也蕴藏在海底的地层深处。

我国既是一个陆上大国，也是一个海洋大国，随着我国陆上石油工业的发展，海洋石油工业也在迅速崛起。

如今在我们辽阔富饶的国土上已经呈现出陆海并进的局面，共同承担起为中国现代经济发展提供宝贵能源的责任。

据有关资料统计，海洋中石油和天然气的资源量，约占世界石油、天然气总储量的30%以上，因而近几十年来美、英、日、法、德和俄罗斯等国家在海洋石油开发方面做了大量工作，海洋石油的开发已成为当前世界各国极为重视的一件大事。

海洋石油、天然气的开发加大了对海洋工程的需求量。

近几年来，我国海洋石油开发力度不断加大，开发建设量逐年递增。

今后几年，我国的海洋工程将面临着前所未有的艰巨的生产建设任务，要保质保量的完成这些生产建设任务，一项很重要的举措就是加强建造工艺革新，提高生产效率，其中焊接技术水平是很重要的一个环节。

本文着重介绍了近几年海洋工程领域一项重要的焊接技术革新——STT焊接技术。

自从本世纪30年代应用电弧焊方法以后，熔焊技术一直在向提高效率的方向发展，40年代开始采用埋弧自动焊方法，50年代又推广使用CO2气体保护焊接工艺，以后各种更高效的焊接方法如雨后春笋般层出不穷，焊接生产效率的成倍增长有力地推动了金属加工工业的迅速发展。

可以毫不夸大的说，没有现代焊接工艺技术的发展，就没有现代工业和科学技术的今天。

海洋工程是一种大型复杂的工程结构。

它的工作环境和结构型式都与陆上结构有很大区别。

海洋工程涉及到大量的钢材加工，在海洋工程结构的建造过程中，焊接贯穿于各个环节，焊接工作量占有相当大的比例。

为缩短建造周期，降低建造成本，必须提高焊接的技术水平，推广自动化和半自动化焊接技术，一方面要提高生产效率，另一方面又要降低工人的劳动强度。

2．STT焊接技术的原理和优势STT的全称为Surface Tension Transfer，即表面张力过渡。

实现表面张力过渡的工艺技术称为表面张力过渡焊接技术。

该技术采用了7个国家的20余项专利，最早于1993年由美国林肯电气公司的Stava高级工程师发表在Welding Journal杂志上。

商品的STT焊机1994年前后由美国林肯公司推出。

目前，林肯电气公司的第二代STT表面张力电源INVERTEC STT II已进入工业大范围实用阶段。

2.1 STT焊接技术的原理现代焊接生产中，熔化极电弧焊方法的应用极其广泛。

熔化极电弧焊的焊接质量、焊接过程的稳定性等，与熔滴过渡密切相关。

熔滴过渡的类型不同，其焊接电流、焊接电压的波形与变化频率、熔滴尺寸、过渡路径、飞溅率、熔敷效率、全位置成形能力、焊缝的表面成形质量等也存在较大差异。

如连续直流的稳定喷射过渡，其电流电压波动极小，熔滴尺寸很细且呈轴向自由过渡，无短路过渡，飞溅很少，熔敷效率高，焊缝表面光滑，轴向附近熔深较大，100%的燃弧率带来工件上的热输入量大，常用于厚板水平位置、船形位置等场合下的高速焊接。

但这种过渡方式的全位置成形能力差，线能量高，难于用于薄板、全位置、严格限制焊接线能量等场合下的焊接。

脉冲电流焊接可以克服上述缺点，能在比较小的平均电流条件下实现一脉多滴、一脉一滴、多脉一滴的熔滴过渡形式，但一脉一滴和多脉一滴时，经典的喷射过渡特征（如形成“笔尖”，熔滴直径小于焊丝直径，过渡频率高等）则相对弱化或消失。

以低电压、短弧长、较小电流为特征的短路过渡方式焊接，由于对工件的热输入较小，全位置成形性能好，在薄板、细丝CO2焊接、全位置焊接等领域广泛应用。

这种过渡方式总存在着熔滴与熔池之间的短路过程，并引起电弧熄灭，焊接电流、焊接电压大幅度波动，同时液化小桥的汽化爆炸常引起较大的飞溅。

这不仅降低了焊接的熔敷率，还严重恶化了焊接区的作业环境、影响了焊缝区域的光洁度、保护气流的流态与焊接区的可靠保护、送丝的稳定性与可靠性等。

因此，最大限度地降低短路过渡工艺的飞溅率，并同时保证良好熔合，是焊接工程技术界数十年来竭力攻关的难题之一。

已发明的诸多技术，如富氩混合气体[Ar+(10%～20%CO 2)]保护，脉动送丝、焊接二次回路串接电感以控制短路电流增长速度（dI/dt ）、选用最佳匹配规范、采用药芯焊丝等，都是行之有效的措施。

但迄今为止，上述技术均没有把短路过渡焊接的飞溅率降到理想状态，尤其是100%CO 2短路过渡焊接更是如此。

表面张力过渡技术正是在攻克这一世界难题的进程中发明的。

（1） 表面张力过渡原理表面张力过渡表达的是以熔滴过渡的主要推动力为分类依据的一个新概念，可以理解为导致一个熔滴完成过渡全过程的主要作用力是表面张力。

它是相对传统短路过渡工艺而言的。

传统技术下的熔滴过渡也存在局部表面张力作用，如熔滴短路后的运动、飞跃电弧空间的熔滴等都存在着表面张力作用。

然而该情况下的表面张力仅为熔滴过渡作用力的一部分，并且是不可控的。

传统技术的短路过渡工艺中，熔滴在重力、表面张力、电弧推力、等离子流力、斑点压力等复杂力系的作用下，而且各分力将随焊接规范、气体介质、空间位置、焊丝直径等不同而不同，最终完成熔滴过渡应是上述诸分力的综合作用结果。

虽然难以说清楚短路阶段最终导致熔滴完成熔滴过渡的主要作用力究竟是什么，但从电弧的声音、电流电压波形、较多的飞溅等现象可以推断，表面张力不是主要作用力，因此传统技术条件下的短路过渡工艺不属于表面张力过渡机制。

要弄清楚STT 工艺大幅度降低飞溅率的机理，应首先搞清楚传统技术下的短路过渡焊接工艺中，导致飞溅大的最主要原因是什么。

短路过渡工艺中，每个熔滴的过渡期间总要经历两个“液态小桥”阶段，即熔滴与熔池早期接触（incipient short ）的短路小桥与熔滴脱离故态焊丝之前的缩颈小桥（图1中假定为轴向过渡）。

先于缩颈小桥的短路过渡小桥一旦形成，电弧便被液态金属短路而熄灭，气体导电由液态金属导电所取代。

由于同样长度段液态金属的电阻 R 液远远小于气体电弧的电阻R 弧，焊接二次回路阻抗的大幅度减少，导致焊接电流快速增长（即短路电流增长）。

当较大的短路电流I d 通过很小的导电截面时，其电流密度J d 比燃弧期间的电流密度要增大数百倍，一般由燃弧期间的6～15A/mm 2剧增到2000～3600 A/mm 2。

极短时间内（微秒级）强大的短路电流流经微小导电截面会带来两个作用：一是更大的电磁压力阻碍了短路小桥向熔池的快速铺展，二是强大的焦耳－楞次热作用极易导致液态小桥的爆炸，将是短路过渡工艺中飞溅大的最主要原因。

短路小桥、缩颈小桥形成与存在期间通过了很大的电流是导致飞溅的本质原因。

如果在这两个小桥形成期间不仅遏制电流增长甚至降低电流，将会大大减弱电磁力对小桥的压缩作用与爆炸程度，从而降低飞溅率。

传统技术中的控制短路电流峰值[I d ≤(2.5～3.0)I r ]（I r 为燃弧电流）与dI/dt 、电流切换法等，正是基于这一思想的技术措施。

然而飞溅率降低并不理想，这与小桥的空间状态与输出电流的强度及其变化速度是否精确对应有关。

表面张力过渡理论认为，两个“小桥”存在期间，只要通过了较大的焊接电流，就不可能较好地抑制液态小桥的汽化爆炸。

只有把小桥的形成与存在期间的焊接电流降至比燃弧电流（称基值电流background current ）低得多的水平，才能理想地遏制飞溅。

因为电流对小桥的电磁压缩力log(dG/dD)I F 2=以及电流对小桥的热作用（Rt 0.24I Q 2=）均与电流的平方成正比。

计算可图1 液态小桥示意图 1.固态焊丝 2.缩颈小桥 3.短路小桥 4.熔池 4知，当把小桥期间的电流降低2/3（与燃弧期间电流相比），不计电流减少导致的小桥截面增大加快与电阻减少因素，电流通过小桥段导体的产热量将减少90%以上。

表面张力过渡工艺的理论电流电压波形（见图2）中，t 4是缩颈小桥断裂之后的再引燃电弧、熔滴形成与长大阶段，该阶段为燃弧期，其余（t 1，t 2，t 3）均为熄弧期。