低溫環(huán)境用管材脈沖MAG焊焊接工藝的研究

朱忠強(qiáng)，王成章，胡順

（中石化四機(jī)石油機(jī)械有限公司， 湖北 荊州 434024）

北極、亞北極地區(qū)擁有豐富的油氣資源，世界各國(guó)爭(zhēng)相開采。但該區(qū)域自然環(huán)境極其惡劣，平均氣溫在-20～-40℃。若要參與該區(qū)域的油氣開發(fā)，必須形成一套適應(yīng)于極地冷海環(huán)境的鉆井關(guān)鍵裝備與技術(shù)。

材質(zhì)為Q460NE，壁厚（通常25-40mm）的低合金高強(qiáng)度管材越來(lái)越多地應(yīng)用于石油鉆井設(shè)備中。為了保證其焊縫的力學(xué)性能，特別是低溫沖擊韌性，必須要保證全焊透。因此所開坡口尺寸一般要求超過23mm×45°。由于坡口較大，采用傳統(tǒng)的半自動(dòng)CO2氣體保護(hù)焊或者M(jìn)AG焊，焊接一條圓周焊縫至少需要3.5h，生產(chǎn)效率極低。為彌補(bǔ)這一劣勢(shì)，我廠引進(jìn)了一臺(tái)全自動(dòng)脈沖MAG焊機(jī)。該焊機(jī)具有自動(dòng)化程度高、熔覆好、焊接效率高、焊縫成型優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，可大大提高低溫管材的焊接生產(chǎn)效率。然而，用何種焊接參數(shù)才能焊接出沒有任何焊接缺陷，外觀質(zhì)量良好且完全滿足AWS D1.1/D1.1M對(duì)焊縫力學(xué)性能，特別是低溫沖擊韌性要求的焊縫，尚未進(jìn)行過研究。

因此我廠制定了一組焊接工藝參數(shù)，用這一組焊接參數(shù)來(lái)焊接一組管—管單邊V型對(duì)接坡口焊縫，并通過磁粉探傷和超聲波探傷檢測(cè)該對(duì)接焊縫的完好性，然后在探傷合格的焊接試樣上制取拉伸試樣、彎曲試樣和沖擊試樣并進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)性能試驗(yàn)，驗(yàn)證所擬定的工藝參數(shù)是否合理。

1 焊接工藝的擬定

為了滿足極地低溫環(huán)境下的使用要求，將Q460NE的使用溫度定在-50℃。為此選用京雷GMR-55Ni2低溫實(shí)心焊絲來(lái)改善Q460NE管材焊后-50℃的低溫沖擊韌性。Q460NE和京雷GMR-55Ni2低溫實(shí)心焊絲的主要化學(xué)成分如表1所示。

焊接電流對(duì)焊接質(zhì)量和焊接生產(chǎn)效率的影響較大。焊接電流主要影響熔深大小。電流越大，熔深越大。但電流過小，電弧不穩(wěn)定，易造成未焊透和夾渣等缺陷。電流過大，則焊縫容易產(chǎn)生咬邊和燒穿等缺陷，同時(shí)引起飛濺。而焊接缺陷的出現(xiàn)將會(huì)影響焊縫的力學(xué)性能，特別是低溫沖擊韌性。

弧焊電壓是由弧長(zhǎng)決定的，電弧長(zhǎng)，電弧電壓高；電弧短，則電弧電壓低。電弧電壓的大小主要影響焊縫的熔寬，電壓越大，熔寬越大。焊接過程中電弧不宜過長(zhǎng)，否則，電弧燃燒不穩(wěn)定，增加金屬的飛濺，而且由于空氣的侵入，使焊縫產(chǎn)生氣孔。

焊接速度的大小直接關(guān)系到焊接生產(chǎn)效率。為了提高焊接生產(chǎn)效率，可在保證焊縫質(zhì)量的前提下，適當(dāng)提高焊接電流。同時(shí)還應(yīng)按照具體情況適當(dāng)調(diào)整焊接速度，盡量保證焊縫高低和寬窄一致。

一般按照以往經(jīng)驗(yàn)和焊機(jī)制造商推薦來(lái)選擇焊接電流、電壓和焊接速度。結(jié)合以往的經(jīng)驗(yàn)和焊機(jī)制造商的推薦參數(shù)，焊接電流、電壓和焊接速度的選擇如表2所示。

表1 京雷GMR-55Ni2實(shí)心焊絲和Q460NE主要化學(xué)成分

表2 焊接參數(shù)的選擇

因98%Ar+2%CO2混合氣體，既具有Ar弧電弧穩(wěn)定性高、飛濺小、容易獲得軸向噴射過渡的優(yōu)點(diǎn)，又具有一定的氧化性，能克服氬氣焊接時(shí)表面張力大、液體金屬黏稠、陰極斑點(diǎn)易飄移等問題，還能對(duì)焊縫的熔深有所改善。因此選用98%Ar+2%CO2混合氣體作為保護(hù)氣體。氣體流量設(shè)置為24L/min。

焊接母材選用φ219×35mm/Q460NE管材進(jìn)行焊接。為防止焊后開裂，焊前需預(yù)熱，預(yù)熱溫度選擇120℃。

2 力學(xué)性能試驗(yàn)

用擬定的焊接工藝參數(shù)焊出的焊縫，不僅外觀質(zhì)量高，而且焊接試驗(yàn)表明脈沖MAG焊機(jī)的熔覆能力強(qiáng)，焊接效率較高。焊接坡口尺寸為32mm×45°、焊縫長(zhǎng)度約為62cm的焊縫僅需要37分鐘即可完成，大大提高了焊接生產(chǎn)效率。

通過超聲波探傷和磁粉探傷檢查焊接試管，需經(jīng)過機(jī)加工制取力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)試樣。

2.1 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)用于檢測(cè)焊縫的抗拉強(qiáng)度是否合格。一組焊接試管要制取兩個(gè)拉伸試樣并分別進(jìn)行橫向拉伸試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)評(píng)定合格的依據(jù)為：抗拉強(qiáng)度必須大于所用母材規(guī)定的抗拉強(qiáng)度的最低值。由表3數(shù)據(jù)可以看到，兩拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度分別為580MPa和610MPa，符合母材規(guī)定最低抗拉強(qiáng)度540MPa（母材規(guī)定的抗拉強(qiáng)度參考GB/T 1591-2018）。因此拉伸試驗(yàn)是合格的。

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.2 彎曲試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)用于檢測(cè)焊縫的延展性是否合格。一個(gè)焊接試管需制取4個(gè)側(cè)彎試樣并分別進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)。

彎曲試驗(yàn)判定合格的依據(jù)為AWS D1.1/D1.1M第4.9.3.3條：(1)表面任何方向不連續(xù)的長(zhǎng)度不超過3mm；(2)所有不連續(xù)尺寸超過1mm，但不大于3mm的缺陷的尺寸總和不超過10mm；(3)角部裂紋不超過6mm，但如果角部裂紋由可見夾渣或其他融化型不連續(xù)所致，則裂紋不得超過3mm；角部裂紋超過6mm而無(wú)夾渣或其他融化型不連續(xù)的試樣必須廢棄，并必須從原焊件上另取試樣重作彎曲試驗(yàn)。由圖1可以看到，彎曲試樣經(jīng)180°彎曲后表面無(wú)裂紋產(chǎn)生，因此彎曲試驗(yàn)合格。

圖1 經(jīng)180°彎曲后的彎曲試樣

2.3 沖擊試驗(yàn)

沖擊試驗(yàn)用于檢測(cè)焊縫的低溫沖擊韌性是否合格，因?yàn)闃O地氣溫極低，因此決定在-50℃下做低溫沖擊試驗(yàn)，而非-40℃下做低溫沖擊試驗(yàn)。因?yàn)楦鶕?jù)以往經(jīng)驗(yàn)，E級(jí)材料的焊接試樣在規(guī)定的-40℃下做低溫沖擊試驗(yàn)時(shí)，所得沖擊值比實(shí)際要求的最小平均沖擊功值31J高出不少，而且GB/T 1591-2018標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定E級(jí)材料可以在-50℃做沖擊。因此我們推測(cè)-50℃的低溫沖擊試驗(yàn)應(yīng)該也能符合要求。沖擊試樣的尺寸為10mm×10mm×55mm。沖擊試樣開夏比V型坡口，坡口位置三個(gè)，分別為焊縫中心、熔合線+1mm和熔合線+5mm。且每個(gè)位置都要求有3個(gè)沖擊試樣。因此共需制取9個(gè)沖擊試樣。

沖擊試驗(yàn)判定合格的依據(jù)為AWS D1.1/D1.1M第4.28.2條：(1)任何單一試樣的值不低于母材最小沖擊功；(2)3個(gè)試樣的算術(shù)平均值必須不小于母材的最小平均沖擊功。

由表4可以看到，無(wú)論是焊縫中心處、融合線+1mm處和熔合線+5mm處，所處位置的3個(gè)沖擊試樣的單個(gè)沖擊值和平均沖擊功值都滿足要求，因此，沖擊試驗(yàn)合格。

表4 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

(1)本次擬訂的脈沖MAG全自動(dòng)焊焊接工藝參數(shù)是合理的，不僅可以得到無(wú)任何焊接缺陷、外觀良好、能通過磁粉探傷和超聲波探傷的焊縫，而且焊縫的抗拉強(qiáng)度、延展性和低溫沖擊韌性都能滿足AWS D1.1/D1.1M對(duì)焊縫力學(xué)性能的要求。

(2)脈沖MAG全自動(dòng)焊熔覆性好，生產(chǎn)效率高，可大大提高低溫管材的焊接生產(chǎn)效率，可推廣使用。

◆參考文獻(xiàn)

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