埋弧焊管高速焊接工藝設(shè)計及生產(chǎn)應(yīng)用

曹紅平，唐子金，彭新星，楊雄英

（中石化機(jī)械工程公司沙市管廠，湖北 荊州434000）

0 前 言

隨著油氣輸送管道向高壓、大輸量發(fā)展，大直徑、厚壁、高鋼級埋弧焊管的應(yīng)用更加廣泛。目前，國內(nèi)正在試制X80級φ1 422 mm×22 mm埋弧焊管，X90～X120超高強(qiáng)度管線鋼管也正在研發(fā)之中[1]。隨著管道建設(shè)要求的不斷提高，各生產(chǎn)廠家需要在保證焊管質(zhì)量的前提下，合理提高生產(chǎn)效率，以取得更好的經(jīng)濟(jì)效益，而焊接速度的提升是一個有效措施。在焊速的提升方面，國內(nèi)各生產(chǎn)廠家做了大量工作，特別是焊接坡口加工由直邊刨邊改為Y形或X形銑邊[2]，以及采用內(nèi)外焊接電源并聯(lián)的方式提高實(shí)際負(fù)載水平，使埋弧焊管焊接速度得到不斷提高。另外，在高速焊接用焊絲和焊劑的開發(fā)、多絲焊、焊接參數(shù)優(yōu)化等方面也有相關(guān)報道[3-5]。

但是，從目前各大型焊管生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)備能力來看，焊速進(jìn)一步提升的關(guān)鍵是焊接工藝參數(shù)的合理設(shè)計。本研究針對埋弧焊管的焊速提升，對焊接工藝參數(shù)設(shè)計的思路進(jìn)行了闡述，并對提速前后批量生產(chǎn)的螺旋埋弧焊管性能和效率進(jìn)行了對比分析。

1 焊速對焊接質(zhì)量的影響及制約因素

一般認(rèn)為，埋弧焊接工藝中焊接電流、電弧電壓和焊接速度是3個最重要的參數(shù)。焊接速度的提高，可引起熔池溫度不夠，容易造成焊縫的力學(xué)性能、形狀等方面出現(xiàn)質(zhì)量問題，如夾渣和氣孔敏感性增加[3]、內(nèi)焊縫凹陷深度增加以及咬邊增加等[6]。

提高焊接速度會受到生產(chǎn)線設(shè)備能力和焊接工藝設(shè)計水平的限制。生產(chǎn)設(shè)備如焊機(jī)、板邊坡口加工設(shè)備、成型機(jī)、檢驗(yàn)設(shè)備等，都可能制約著焊接速度的提升。因此，為了提高焊接速度，有必要采用先進(jìn)的設(shè)備或提高現(xiàn)有設(shè)備的自動化程度。另外，焊接工藝參數(shù)的合理設(shè)計也是提升焊速的關(guān)鍵。焊接速度的提高是焊絲、焊劑、焊接電流、電壓、板邊坡口形式、鋼管尺寸等綜合協(xié)調(diào)的結(jié)果。確定合適的焊接材料后，根據(jù)提升后的焊接速度，選擇合適的焊接電流和電弧電壓，從而決定焊接接頭熱輸入量 （線能量）的大小，熱輸入量的大小應(yīng)以滿足焊接接頭的性能作為約束條件。確定焊絲熔敷量時，焊縫與母材平滑過渡及余高要求是其約束，而內(nèi)外焊縫的重熔量決定內(nèi)外焊縫的熔透量[7]。只要兼顧焊接接頭熱輸入量、焊絲熔敷量、焊接熔透量來設(shè)計不同焊接速度下的焊接工藝參數(shù)并考慮與生產(chǎn)線設(shè)備能力相匹配，就能夠有效提高埋弧焊管生產(chǎn)效率。

2 埋弧焊管高速焊接工藝設(shè)計

油氣輸送用埋弧焊管對焊接質(zhì)量的要求主要有[8]：①焊縫與母材平滑過渡，焊縫余高為0.5～2.5 mm；②內(nèi)外焊縫重熔量1.5～3.0 mm；③焊接接頭夏比低溫沖擊韌性在100 J以上 （實(shí)際生產(chǎn)時需要在技術(shù)規(guī)范要求的基礎(chǔ)上增加一定的富裕量）。

為研究焊接接頭夏比低溫沖擊韌性，采用X70和X80鋼板進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，所設(shè)計的比線能量 （即單位壁厚焊接熱輸入量或線能量）[9-10]在100～280 J/mm范圍內(nèi)按20 J/mm間隔等差分布。隨著熱輸入量的增加，焊縫金相組織中先共析鐵素體不斷增加，熱影響區(qū)（HAZ）金相組織中粒狀貝氏體越來越粗大，焊縫以及HAZ低溫沖擊韌性隨之降低。為保證焊管焊縫以及HAZ低溫沖擊韌性滿足技術(shù)規(guī)范要求，同時在保證內(nèi)外焊縫重熔量及焊縫外觀質(zhì)量的情況下盡量選擇較低的焊接熱輸入量，焊接熱輸入量控制在220 J/mm以內(nèi)。

為控制內(nèi)外焊縫余高，筆者從控制焊絲熔敷量入手，設(shè)計了450～1 650 A等差數(shù)列（間隔300 A）焊接電流和30～46 V等差數(shù)列（間隔4 V）電弧電壓進(jìn)行2因素5水平正交焊接試驗(yàn)。統(tǒng)計各組焊接試驗(yàn)對應(yīng)的焊絲熔敷量，并通過回歸分析構(gòu)建了焊絲熔敷量與焊接電流和電弧電壓的函數(shù)關(guān)系

式中：G—焊接熔敷量；

K1′—系數(shù)；

a1′，a2′—指數(shù)；

I—焊接電流，A；

U—電弧電壓，V。

為控制焊縫重熔量，筆者設(shè)計了600～1 600 A等差數(shù)列 （間隔200 A）焊接電流和30～45 V等差數(shù)列 （間隔3 V）電弧電壓以及1 000～25 000 mm/min等差數(shù)列 （間隔300 mm/min）焊接速度進(jìn)行3因素6水平正交焊接試驗(yàn)。統(tǒng)計各組焊接試驗(yàn)對應(yīng)的焊接熔透量并通過回歸分析構(gòu)建焊接熔透量與焊接電流、電弧電壓和焊接速度的函數(shù)關(guān)系

式中：H—焊接熔透量，mm；

v—焊接速度，mm/min；

a1，a2，a3—指數(shù)；

K1—指數(shù)。

兼顧焊縫余高0.5～2.5 mm、內(nèi)外焊縫重熔量1.5～3.0 mm和焊縫韌性不低于100 J的質(zhì)量要求，并結(jié)合焊接坡口尺寸，根據(jù)焊接熱輸入量不超過220 J/mm、焊絲熔敷量、焊接熔透量與焊接電流、電弧電壓和焊接速度的函數(shù)關(guān)系構(gòu)建以下焊接工藝參數(shù)數(shù)學(xué)模型

式中：t—鋼管壁厚，mm；

h—坡口深度，mm；

α—坡口角度， (°)；

b—鈍邊尺寸，mm；

B—焊縫寬度，10～30 mm；

i—焊槍電極序號，i=1，2，3……。

3 實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用及效果

3.1 工藝參數(shù)設(shè)計

以φ813 mm×14.2 mm規(guī)格的 X70M螺旋埋弧焊管生產(chǎn)為例，試驗(yàn)鋼管焊接坡口尺寸為：鈍邊寬度8 mm，上坡口角度35°，下坡口角度40°，坡口深度上下平分，如圖1所示。

圖1 板邊坡口尺寸

根據(jù)式（3）設(shè)計的不同焊速下的系列焊接工藝參數(shù)見表1。表中焊接速度在1 500～2 500 mm/min以100 mm/min為間隔等差分布，所涉及的對應(yīng)不同焊接速度下的焊接電流和電弧電壓比線能量（單位壁厚焊接熱輸入量）在140～150 J/mm之間，內(nèi)外焊縫重熔量控制在2.2～2.7 mm，焊縫余高1.5～1.6 mm，都在預(yù)期設(shè)計目標(biāo)范圍內(nèi)。

表1 φ813 mm×14.2 mm規(guī)格的X70M埋弧焊管系列焊接工藝參數(shù)

3.2 焊管質(zhì)量情況

φ813 mm×14.2 mm規(guī)格的 X70M螺旋埋弧焊管生產(chǎn)采用2種焊接速度。生產(chǎn)初期焊接速度為1 600 mm/min，選用表1序號2所列的焊接工藝參數(shù)。

其后，在焊接材料及焊接坡口尺寸不改變的情況下，分別按焊接速度2 000 mm/min以及2 200 mm/min所列焊接工藝參數(shù)進(jìn)行了試生產(chǎn)。為防止提高焊接速度后內(nèi)外焊縫馬鞍形超標(biāo)和魚脊焊縫等缺陷（缺欠），適當(dāng)調(diào)小了內(nèi)焊點(diǎn)偏心距，同時調(diào)大了外焊點(diǎn)偏心距[6]。

質(zhì)量檢測結(jié)果顯示，提升焊接速度之后，鋼管焊縫外觀質(zhì)量以及無損檢測結(jié)果均為良好。提升焊接速度前后所生產(chǎn)鋼管焊接接頭力學(xué)性能穩(wěn)定，主要性能指標(biāo)對比見表2。不同焊接速度下焊縫的宏觀形貌及金相組織如圖2～圖6所示。可以看出，提速前后焊縫宏觀形貌以及內(nèi)外焊縫金相組織無明顯差異。

表2 提速前后焊接接頭主要力學(xué)性能

圖2 焊縫宏觀形貌

圖3 外焊縫金相組織 500×

圖4 內(nèi)焊縫金相組織 500×

圖5 熱影響區(qū)金相組織 500×

圖6 內(nèi)外焊縫重合區(qū)金相組織 500×

3.3 生產(chǎn)效率對比

批量生產(chǎn)過程中，先后按1 600 mm/min以及2 000 mm/min的速度生產(chǎn)φ813 mm×14.2 mm X70M螺旋埋弧焊管。提速前，1#機(jī)組 （長機(jī)組）97班次（8 h/班）生產(chǎn)鋼管10 269 t，平均每班生產(chǎn)105.9 t；提速后，147班次生產(chǎn)鋼管19 250 t，平均每班生產(chǎn)131 t。2#機(jī)組（短機(jī)組）提速前67班次生產(chǎn)鋼管6 029.1 t，平均每班生產(chǎn)90 t；提速后，147班次生產(chǎn)鋼管15 775.2 t，平均每班生產(chǎn)107.3 t。在無設(shè)備故障及質(zhì)量異常造成停車的前提下，提速后單班最高產(chǎn)量比提速前增加20%，統(tǒng)計結(jié)果見表3。同時，提速后鋼管檢驗(yàn)一次合格率略有上升，統(tǒng)計結(jié)果見表4。

表3 提速前后單班最高產(chǎn)量對比

表4 提速前后一次合格率對比

以上數(shù)據(jù)表明，在φ813 mm×14.2 mm X70M鋼管的實(shí)際批量生產(chǎn)中，焊速由1 600 mm/min提高到2 000 mm/min，生產(chǎn)效率得到了提升，同時焊接質(zhì)量穩(wěn)定，能夠滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求。因此，通過合理設(shè)計焊接工藝參數(shù)，在裝備能力許可范圍內(nèi)進(jìn)行焊速提高是可行的。

4 結(jié) 論

（1）通過構(gòu)建以焊接質(zhì)量要求為約束的函數(shù)關(guān)系式，可以綜合考慮焊接熱輸入量范圍、焊接熔透量、焊絲熔敷量和坡口形式等，用以對埋弧焊管在不同焊接速度下的系列焊接工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，為高速焊接提供合理焊接工藝。

（2）將該焊接工藝設(shè)計思路應(yīng)用于X70M級 φ813 mm×14.2 mm螺旋埋弧焊管的實(shí)際生產(chǎn)，檢測和統(tǒng)計結(jié)果顯示，提高焊速后質(zhì)量穩(wěn)定，并可有效提高生產(chǎn)效率。

（3）綜合考慮內(nèi)焊點(diǎn)偏心距的調(diào)整極限、焊縫受鋼管出成型套后彈性變形應(yīng)力影響的極限等因素，理論上可以進(jìn)一步提高埋弧焊管的焊接速度。

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