樁管鎖扣冷絲預(yù)置MAG焊接工藝

韓顯柱 楊戰(zhàn)利 劉明 付傲

摘要：針對樁管鎖扣MAG焊接時存在的焊接效率較低且焊接變形較大等問題，文中采用冷絲預(yù)置MAG焊接技術(shù)，以MAG焊接電弧為主熱源，通過預(yù)置冷絲大幅吸收焊接熱量，從而實(shí)現(xiàn)了降低熱輸入和提升熔敷效率的雙重目標(biāo)，在樁管鎖扣的工程應(yīng)用中不僅生產(chǎn)效率成倍提高，而且降低了焊接應(yīng)力產(chǎn)生的變形量，取得了良好的工程應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：鎖扣; 冷絲預(yù)置; MAG焊接工藝

中圖分類號：TG 444

Abstract：To solve the issues of low welding efficiency and large welding deformation in MAG welding of pile pipe clutches， welding technology of cold wire presetting manufacturing was adopted， in which MAG welding arc was used as main heat source， through presetting the cold wire to absorb welding heat significantly，to realize the lower heat input and improve the deposition efficiency. During the engineering application of pile pipe clutch welding， the production efficiency was greatly improved and the deformation caused by welding stress was reduced. Engineering application was effective.

Key words： clutches; cold wire presetting; MAG welding technology

0 前言

隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化不斷深入和中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，港口產(chǎn)業(yè)也正在發(fā)生深刻的變革和巨大的變化，港口建設(shè)用樁管需求量也呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢，樁管的需求量也逐漸增大[1]。樁管鎖扣冷絲預(yù)置MAG焊接工藝研究是樁管鎖扣焊接領(lǐng)域的一個新的發(fā)展方向，其原理是利用電弧余熱將預(yù)置冷絲熔化，從而在大幅提升焊接生產(chǎn)效率的同時降低焊縫的熱輸入，從而改善焊接應(yīng)力和焊后變形狀況，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量和效率的雙提升。文中結(jié)合工程實(shí)例詳細(xì)介紹了樁管鎖扣冷絲預(yù)置MAG焊接工藝的研究情況。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

利用制管工廠原有鋼管自動補(bǔ)焊工作臺改造完成的旋轉(zhuǎn)工作臺，增配自動爬行式氣體保護(hù)焊設(shè)備，實(shí)現(xiàn)鋼管側(cè)向行走自動焊接。設(shè)備主要由旋轉(zhuǎn)輥（一端內(nèi)置，另一端外置）、P-500焊接電源及送絲系統(tǒng)、跟蹤機(jī)構(gòu)、氣體保護(hù)裝置和電氣控制系統(tǒng)組成。樁管鎖扣焊接設(shè)備如圖1所示，鎖扣焊接平臺如圖2所示。

為了實(shí)現(xiàn)高效率生產(chǎn)確保交貨周期，采用大電流CO2氣體保護(hù)焊工藝方法。試驗(yàn)材料為鋼級S355J0/直徑D 2 032 mm×25 mm鋼管和C9型號鎖扣，兩者進(jìn)行組對焊接，樁管與鎖扣組對形式如圖3所示。組對完成后，利用自動爬行式CO2氣體保護(hù)焊設(shè)備對鋼管和鎖扣之間的連接處角焊縫進(jìn)行人工輔助的半自動施焊。

鋼管母材、鎖扣、氣保焊絲，預(yù)置冷絲的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見表1～表4。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 鋼管與鎖扣的組對

根據(jù)管樁的設(shè)計要求，兩條鎖扣在鋼管的外表面呈180°對稱分布，鎖扣開口方向相反。采用1根長度為34 m的鋼管，鋼管表面焊接31 m長的C9型號鎖扣，鎖扣以鋼管的一端進(jìn)行定位對齊（距管端5 mm）。組對裝配的精度決定了鎖扣樁板配合精度，因此鎖扣定位是一道關(guān)鍵的裝配工序。裝配前，鋼管經(jīng)過無損檢測、外觀檢驗(yàn)質(zhì)量合格，且管端端面平整，鋼管幾何尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)要求，之后進(jìn)行組對裝配。具體裝配工藝如下。

第一步：鋼管放置在鎖扣焊接工位，采用水平尺在鋼管兩端尋找“T”點(diǎn)位置（最高點(diǎn)）并標(biāo)記清晰，鋼管一端為“T1”，鋼管另一端為“T2”。

第二步：測量鋼管兩端“T”點(diǎn)位置截面周長L，鋼管一端標(biāo)記為 “L1”，鋼管另一端標(biāo)記為“L2”。

第三步：分別以“T1”，“T2”為基準(zhǔn)點(diǎn)利用米尺向鋼管圓周1/4方向測量A，B兩點(diǎn)位置并標(biāo)記清晰，鋼管一端標(biāo)記為“A1”“B1”，鋼管另一端標(biāo)記為“A2”，“B2”，之后將鋼管所需要焊接鎖扣的位置進(jìn)行劃線，A1和A2連線、B1和B2連線即為鎖扣的實(shí)際位置。

鎖扣的固定與定位需要采用工裝進(jìn)行校正以確保鎖扣的直度。鎖扣定位之后，采用半自動CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接：實(shí)芯焊絲1.2 mm，焊接電流（230±23） A，電弧電壓（28±2） V，焊縫寬度控制在4～6 mm，鎖扣兩側(cè)每1 000 mm進(jìn)行定位焊接，焊接長度為80～100 mm。

1.2.2 預(yù)置冷絲

將帶有鎖扣的鋼管旋轉(zhuǎn)到鎖扣的弧面與鋼管表面夾角一側(cè)，并旋轉(zhuǎn)到帶焊角焊縫處于水平向上位置，然后在鎖扣的弧面與鋼管表面夾角處嵌加預(yù)置直徑4.8 mm且每段長度2 m的直段焊絲，結(jié)合管徑和鎖扣弧面的間隙，所預(yù)置焊絲剛好處于鎖扣與鋼管表面的直角夾角內(nèi)，如圖4所示。焊接工藝參數(shù)見表5。

2. 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 拉伸試驗(yàn)方案

組合拉伸試驗(yàn)是在鎖扣被焊接至鋼管上以后，進(jìn)行的取樣拉伸試驗(yàn)（拉伸試驗(yàn)方法如圖5所示）。在焊有鎖扣試樣的鋼管內(nèi)表面焊接夾持塊，鎖扣互鎖后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣如圖6所示。

2.2 拉伸試驗(yàn)

選擇4組試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，見表6。4組試樣分別施加340 kN，355 kN，370 kN，372 kN的拉力進(jìn)行試驗(yàn)，4組試樣均未出現(xiàn)開裂情況，全部合格，說明冷絲預(yù)置焊接工藝滿足產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量要求。

2.3 金相檢驗(yàn)

冷絲預(yù)置的焊縫宏觀形貌如圖7所示，微觀顯微組織如圖8～圖9所示?？梢钥闯鲱A(yù)置的焊絲完全熔化并與母材組織相互融合，焊縫表面光滑，焊腳尺寸均勻一致。焊縫組織主要為先共析鐵素體和少量的M-A析出物形成的粒狀和板條狀貝氏體組織;HAZ的金相微觀組織主要是塊狀鐵素體和粒狀貝氏體。

2.4 磁粉無損檢驗(yàn)

對鎖扣焊縫表面進(jìn)行了外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)表面缺陷，對2條鎖扣的4條焊縫進(jìn)行100%磁粉無損檢驗(yàn)，均未發(fā)現(xiàn)顯微裂紋和弧坑裂紋等缺陷，檢驗(yàn)結(jié)果滿足EN 25817標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于焊接缺陷質(zhì)量等級C級要求。

2.5 普通工藝與冷絲預(yù)置工藝的對比分析

在采用冷絲預(yù)置工藝前，筆者進(jìn)行了非冷絲預(yù)置工藝探索，也就是對組對好的鎖扣的弧面與鋼管表面的夾角直接進(jìn)行焊接。由于鎖扣與鋼管貼合面間隙較大（3 mm左右），因此必須進(jìn)行打底焊接，之后再采用與冷絲預(yù)置工藝相同的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接，此種情況下，為達(dá)到交貨條件要求的焊腳尺寸，需要焊接三層。焊接后發(fā)現(xiàn)，因成倍增加的熱輸入產(chǎn)生的焊接應(yīng)力導(dǎo)致鎖扣變形嚴(yán)重，如圖10所示。焊接完成后鎖扣直線度偏差超過0.2%L，嚴(yán)重時變形量甚至達(dá)到了6 mm/m，已經(jīng)嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的質(zhì)量，無法滿足產(chǎn)品交貨條件。

樁管鎖扣冷絲預(yù)置制造工藝，通過焊前預(yù)置冷絲的方式，使電弧熱量得到充分利用，大幅降低了焊縫整體熱輸入，并成倍提高焊接熔敷效率，獲得低變形高效率的實(shí)現(xiàn)焊接效果。與此同時，冷絲預(yù)置工藝技術(shù)可以大幅降低焊接材料和人力成本，成為樁管鎖扣較為理想的焊接工藝技術(shù)。

3 結(jié)論

（1）樁管鎖扣冷絲預(yù)置MAG焊接工藝具有焊接熔敷效率高、殘余應(yīng)力小、焊縫成形好、節(jié)約能源與材料、生產(chǎn)成本低等多重優(yōu)勢，此工藝技術(shù)在國外某樁管鎖扣項目中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用，是樁管鎖扣焊接中較為理想的焊接工藝技術(shù)。

（2）經(jīng)拉伸、微觀與宏觀金相以及磁粉探傷等多重檢驗(yàn)表明，預(yù)置焊絲完全熔化并與母材組織熔合良好，性能指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)和用戶交貨條件要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 張建護(hù)， 唐德渝， 馮標(biāo)， 等. 海洋平臺導(dǎo)管架樁管自動焊工藝及應(yīng)用[J]. 石油工程建設(shè)， 2011， 37（3）：21-24.