雙細(xì)絲并聯(lián)多絲埋弧焊接工藝試驗(yàn)研究

趙 波，付緒宏，王景科，侯樹(shù)林，付彥宏，楊瑋瑋

（1.渤海裝備鋼管設(shè)計(jì)研究院，河北 青縣 062658；2.渤海裝備巨龍鋼管有限公司，河北 青縣062658；3.中石化集團(tuán)管道儲(chǔ)運(yùn)公司，江蘇 徐州221000）

雙細(xì)絲并聯(lián)多絲埋弧焊接工藝試驗(yàn)研究

趙 波1，付緒宏2，王景科3，侯樹(shù)林1，付彥宏1，楊瑋瑋1

（1.渤海裝備鋼管設(shè)計(jì)研究院，河北 青縣 062658；2.渤海裝備巨龍鋼管有限公司，河北 青縣062658；3.中石化集團(tuán)管道儲(chǔ)運(yùn)公司，江蘇 徐州221000）

為了解決多絲埋弧焊大線能量焊接導(dǎo)致的高鋼級(jí)管線鋼焊縫及熱影響區(qū)金相組織粗化、力學(xué)性能脆化的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了焊接線能量較低的雙細(xì)絲并聯(lián)多絲埋弧焊接工藝，在該工藝下進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，并在相同焊接環(huán)境下與常規(guī)粗絲四絲埋弧焊工藝進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，雙細(xì)絲并聯(lián)多絲埋弧焊工藝比常規(guī)粗絲四絲埋弧焊工藝焊接線能量降低約27%，顯著改善了焊縫及熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性，兩種焊接工藝下焊接接頭抗拉強(qiáng)度的變化不大。

焊接；埋弧焊；單電源雙絲并聯(lián)；低線能量；多絲埋弧焊；低溫韌性

目前，油氣輸送用管線鋼管焊接生產(chǎn)所使用的最主要的焊接工藝方法為多絲埋弧焊，由于多絲埋弧焊固有的焊接線能量大、熔池過(guò)熱度大的特點(diǎn)，容易導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)的金相組織和力學(xué)性能惡化，造成焊縫和粗晶區(qū)晶粒粗化、低溫沖擊韌性降低的問(wèn)題。為了改善這些問(wèn)題，除了從原材料化學(xué)成分和金相組織設(shè)計(jì)入手以外，對(duì)于焊管生產(chǎn)廠家主要應(yīng)從降低焊接線能量的角度出發(fā)，對(duì)現(xiàn)有多絲埋弧焊的焊接生產(chǎn)工藝進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)。

1 埋弧焊工藝分析

通常所說(shuō)的埋弧焊熱效率η，只是考慮焊件所能吸收到的熱能占焊接電源輸出總能量的比例。實(shí)際上這部分熱能包括兩部分：一部分用于熔化焊絲、母材而形成焊縫；另一部分用于焊劑熔化和由于熱傳導(dǎo)而流失于母材形成熱影響區(qū)。嚴(yán)格來(lái)講，用于熔化焊絲的熱能占總能量的比例才是真正的焊接熱效率。

埋弧自動(dòng)焊的熱量分配如圖1所示，其焊接參數(shù)分別為I=1 000 A，U=36 V，v=600 mm/min。從圖1可以看出，其電弧全部熱量中用于熔滴過(guò)渡（熔化焊絲）的熱量?jī)H為25%~30%，用于熔化焊劑的熱量為10%~15%，用于熔化母材的熱量為20%~30%。為了提高焊接熱效率，應(yīng)該通過(guò)工藝改進(jìn)增加熔滴過(guò)渡及其所占熱量比例，采用雙細(xì)絲代替單粗絲的單電源雙細(xì)絲并聯(lián)焊接工藝，通過(guò)減小焊絲截面積、增強(qiáng)電阻熱對(duì)焊絲的預(yù)熱效果，增加熔化焊絲熱量在電弧總熱量中的占比，從而實(shí)現(xiàn)較低線能量的焊接，以達(dá)到改善焊縫及熱影響區(qū)金相組織和力學(xué)性能的目的。下面結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)研究對(duì)單電源雙細(xì)絲并聯(lián)焊接工藝的應(yīng)用效果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1 埋弧自動(dòng)焊的熱量分配示意圖

2 單電源雙細(xì)絲并聯(lián)埋弧焊設(shè)備構(gòu)成

單電源雙細(xì)絲并聯(lián)埋弧焊設(shè)備由埋弧焊電源、雙焊絲盤(pán)、單送絲機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制器、雙絲導(dǎo)絲機(jī)構(gòu)、單焊槍、雙孔導(dǎo)電嘴等組成。典型單電源雙絲埋弧焊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可以看出，其結(jié)構(gòu)與普通單絲埋弧焊相同，焊接電源、送絲機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制器構(gòu)成的電氣系統(tǒng)保持不變。

圖2 典型單電源雙細(xì)絲焊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

雙細(xì)絲送絲系統(tǒng)需同時(shí)送給兩根焊絲，需要對(duì)原有的送絲輪、上下導(dǎo)絲嘴、送絲管、焊槍、導(dǎo)電嘴等送絲機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，其中送絲輪由原有單槽送絲輪改為雙槽送絲輪，導(dǎo)電嘴由原來(lái)的單孔改為雙孔。雙絲送絲輪和導(dǎo)電嘴結(jié)構(gòu)如圖3所示。

另外，采用雙細(xì)絲送絲系統(tǒng)時(shí)，還要對(duì)送絲電機(jī)減速器減速比進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。以美國(guó)LINCOLN AC1200焊機(jī)配備的NA-4控制器為例，若采用2根Φ1.6 mm或Φ2.0 mm的單電源雙細(xì)絲焊工藝，則送絲電機(jī)減速器變速比應(yīng)由單粗絲焊接常用的142∶1調(diào)整為適用于雙細(xì)絲焊接的95∶1或57∶1。即調(diào)整方法為更換送絲電機(jī)減速器內(nèi)部的變速齒輪對(duì)。

兩根焊絲經(jīng)雙槽送絲輪驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過(guò)雙細(xì)絲送絲管進(jìn)入焊槍桿體，再穿過(guò)雙孔導(dǎo)電嘴向焊接熔池區(qū)域送進(jìn)。試驗(yàn)研究表明，要保證兩根焊絲同步穩(wěn)定地通過(guò)同一導(dǎo)電嘴送進(jìn)，關(guān)鍵在于精確地設(shè)計(jì)并加工送絲輪及其壓緊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)絲機(jī)構(gòu)以及導(dǎo)電嘴，并確保它們便于調(diào)節(jié)和更換。

3 單電源雙細(xì)絲埋弧焊接工藝特點(diǎn)

單電源雙細(xì)絲并聯(lián)埋弧焊接工藝是將單電源粗絲埋弧焊的單根粗焊絲換成兩根細(xì)焊絲，兩根細(xì)焊絲共用一個(gè)導(dǎo)電嘴 （見(jiàn)圖3（b））。理想條件下，兩根焊絲應(yīng)為等速同步送進(jìn)，經(jīng)同一個(gè)導(dǎo)電嘴導(dǎo)入電流，兩者電流應(yīng)平均分流，且電壓相同。但是由于每根焊絲流經(jīng)的電流磁場(chǎng)會(huì)對(duì)另一根焊絲底下的電弧產(chǎn)生電磁作用力，兩根并聯(lián)焊絲因電流方向相同而相互吸引，如圖4所示。

圖4 雙絲焊接時(shí)電弧形狀示意圖

不同直徑焊絲截面積、使用電流范圍對(duì)比見(jiàn)表1。由表1可知，將1根Φ4 mm的焊絲改為2根Φ1.6 mm或Φ2.0 mm的焊絲并聯(lián)，1根Φ4 mm焊絲截面積是2根Φ1.6 mm的3.1倍、2根Φ2.0 mm焊2倍；在焊絲干伸長(zhǎng)都為30 mm的條件下，2根Φ1.6 mm和2根Φ2.0 mm焊絲干伸長(zhǎng)部分的電阻分別是1根Φ4 mm焊絲的3.1倍和2倍；在焊接電流相同的條件下，采用雙細(xì)絲代替單粗絲，一方面可以顯著提高電阻熱對(duì)焊絲的預(yù)熱溫度，另一方面由于并聯(lián)雙細(xì)絲間距僅為3～5 mm，兩根焊絲間距很小，具有較好的相互加熱作用，可以獲得較高的熱效率，因此在獲得等量的熔敷金屬條件下，可顯著降低焊接線能量。

表1 不同直徑焊絲截面積、使用電流范圍對(duì)比

為了驗(yàn)證單電源雙細(xì)絲并聯(lián)焊接工藝焊絲熔化速度的實(shí)際效果，設(shè)計(jì)了單電源Φ4 mm單粗絲和2根Φ1.6 mm雙細(xì)絲兩種工藝500～900 A系列焊接電流-焊絲熔化速度對(duì)比統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2和表3。由表2可看出，單電源Φ4 mm單粗絲的單位電流焊絲熔化速度平均為0.278 g/A·min。由表3可以看出，單電源2根Φ1.6 mm雙細(xì)絲的單位電流焊絲熔化速度平均為0.332 g/A·min。經(jīng)統(tǒng)計(jì)對(duì)比，繪制出圖5所示的單粗絲和雙細(xì)絲焊接電流－焊絲熔化速度曲線。由圖5可以看出，雙細(xì)絲單位電流焊絲熔化速度平均比單粗絲提高約20%。由此可見(jiàn)，單電源雙細(xì)絲并聯(lián)焊接工藝具有高熔化速度、能夠?qū)崿F(xiàn)降低焊接線能量的工藝特點(diǎn)。

表2 單電源Φ4 mm單粗絲埋弧焊焊接參數(shù)及對(duì)應(yīng)的熔化速度

表3 單電源2根Φ1.6 mm雙細(xì)絲埋弧焊焊接參數(shù)及其對(duì)應(yīng)的熔化速度

圖5 單粗絲和雙細(xì)絲焊接電流-焊絲熔化速度曲線

4 雙細(xì)絲并聯(lián)焊接工藝應(yīng)用對(duì)比試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)2根Φ1.6 mm雙細(xì)絲最大允許焊接電流約為870 A。所以在厚壁鋼板多絲埋弧焊試驗(yàn)中，1#焊絲仍然采用Φ4 mm單粗絲大電流、低電壓參數(shù)保證熔深，2#焊絲采用雙細(xì)絲并聯(lián)，如圖6所示。為了驗(yàn)證雙細(xì)絲并聯(lián)焊接工藝在直縫焊管多絲埋弧焊工藝中應(yīng)用的實(shí)際效果，設(shè)計(jì)了X80鋼30.8 mm壁厚焊接試板的四粗絲和單粗絲+三組雙細(xì)絲多絲埋弧焊接工藝對(duì)比試驗(yàn)，兩種焊接工藝采用相同成分的母材、焊材和相同的焊接坡口尺寸。其中，常規(guī)四粗絲埋弧焊工藝參數(shù)見(jiàn)表4，其焊縫宏觀形貌如圖7所示；雙細(xì)絲焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表5，其焊縫宏觀形貌如圖8所示。

圖6 雙細(xì)絲多絲埋弧焊焊頭排列示意圖

表4 X80鋼30.8 mm厚試板四粗絲焊接工藝參數(shù)

圖7 常用四粗絲埋弧焊接焊縫的宏觀形貌

表5 X80鋼30.8 mm厚試板雙細(xì)絲焊接工藝參數(shù)

圖8 采用雙細(xì)絲焊接焊縫的宏觀形貌

由表4和表5可以看出，采用雙細(xì)絲并聯(lián)焊接工藝后，在內(nèi)、外焊速度分別相同的情況下，2#焊絲的焊接電流顯著降低，X80鋼30.8 mm厚試板的內(nèi)外焊縫焊接線能量分別降低到原四粗絲焊接工藝的74%左右。從圖7和圖8可以明顯看出，雙細(xì)絲并聯(lián)焊接工藝中母材的熔化量明顯減少，焊縫熔合比顯著降低。

針對(duì)兩種焊接工藝完成的焊件，分別進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)。沖擊試驗(yàn)分別在焊縫和熱影響區(qū)取樣，拉伸試驗(yàn)取棒狀試樣。低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果和抗拉強(qiáng)度對(duì)比見(jiàn)表6。從表6可以看出，-20℃低溫沖擊試驗(yàn)時(shí)，四粗絲焊接工藝的焊縫中心、熱影響區(qū)沖擊功平均值為154 J和164 J，雙細(xì)絲焊接工藝的焊縫中心、熱影響區(qū)沖擊功平均值為180 J和230 J。雙細(xì)絲焊接工藝焊縫中心、熱影響區(qū)的沖擊功比四粗絲焊接工藝平均提高16.8%和39.4%。-30℃低溫沖擊試驗(yàn)時(shí)，四粗絲焊接工藝的焊縫中心、熱影響區(qū)沖擊功平均值為135 J和144 J，雙細(xì)絲焊接工藝的焊縫中心、熱影響區(qū)沖擊功平均值為170 J和215 J。雙細(xì)絲焊接工藝焊縫中心、熱影響區(qū)的沖擊功比四粗絲焊接工藝平均提高25.9%和49.3%。四粗絲、雙細(xì)絲多絲埋弧焊接工藝的焊接接頭抗拉強(qiáng)度分別為665 MPa和674 MPa，兩種焊接工藝下焊接接頭的抗拉強(qiáng)度基本相當(dāng)。

表6 低溫沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果

雙細(xì)絲并聯(lián)工藝下焊接接頭的硬度見(jiàn)表7。西氣東輸、中俄東線直縫焊管技術(shù)條件中對(duì)鋼管管體、焊縫和熱影響區(qū)的最大允許硬度值均為280HV10。由表7可知，本次試驗(yàn)中，母材、焊縫、熱影響區(qū)硬度均在250HV10以下，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表7 雙細(xì)絲并聯(lián)工藝焊接接頭不同位置的硬度

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)粗絲和雙細(xì)絲系列焊接電流—焊絲熔化速度對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了采用雙細(xì)絲焊接工藝單位焊接電流焊絲的熔化速度可提高約20%，在多絲埋弧焊中采用雙細(xì)絲并聯(lián)焊接工藝，與相同壁厚焊管常規(guī)多粗絲埋弧焊相比，可降低焊接線能量約27%，有效降低了對(duì)母材的熱輸入，母材熔化量顯著減低，在保證焊接接頭抗拉強(qiáng)度基本不變的同時(shí)，焊縫及熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性均得到了比較顯著的改善。

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Experimental Study on Double Filaments Parallel Multi-wire Submerged Arc Welding Process

ZHAO Bo1， FU Xuhong2， WANG Jingke3， HOU Shulin1， FU Yanhong1， YANG Weiwei1
（1.CNPC Bohai Equipment Steel Pipe Design Research Institute，Qingxian 062658，Hebei，China；2.CNPC Bohai Equipment Julong Steel Pipe Co.,Ltd.,Qingxian 062658，Hebei，China；3.Sinopec Pipeline Storage and Transportation Company，Xuzhou 221000，Jiangsu，China）

In order to solve the problem of microstructure coarsening,mechanical property embrittlement of high grade pipeline steel caused by multi-wire submerged arc welding high linear energy welding,the double filaments parallel multi-wire submerged arc welding process with low welding input energy was designed.The welding test was carried out by using this process,and compared with the conventional coarse-wire four-wire submerged arc welding process under the same welding environment.Compared with conventional coarse wire four wire submerged arc welding process,the welding linear energy of double filaments parallel multi-wire submerged arc welding technology reduced about 27%,significantly improved the low temperature impact toughness of weld and heat affected zone,and the tensile strength of two kinds of welding process welded joint does not change significantly.

welding； submerged arc welding； single power source twin-arc parallel； low linear energy； multi-wire submerged arc welding；low temperature toughness

TG445

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.09.006

趙 波（1975—），男，高級(jí)工程師，主要從事管線鋼材料、焊接工藝及裝備研究工作。

2017-06-13

編輯：李紅麗