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

(1.中油寶世順(秦皇島)鋼管有限公司 ，河北 秦皇島 066206;2.哈爾濱焊接研究院有限公司 ，黑龍江 哈爾濱 150028)

0 前言

隨著全球經(jīng)濟一體化不斷深入和中國經(jīng)濟的快速發(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，實現(xiàn)質(zhì)量和效率的雙提升。文中結(jié)合工程實例詳細介紹了樁管鎖扣冷絲預(yù)置MAG焊接工藝的研究情況。

1 試驗方法

1.1 試驗設(shè)備與材料

利用制管工廠原有鋼管自動補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焊設(shè)備，實現(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)、跟蹤機構(gòu)、氣體保護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。

圖1 樁管鎖扣設(shè)備

圖2 樁管鎖扣焊接平臺

為了實現(xiàn)高效率生產(chǎn)確保交貨周期，采用大電流CO2氣體保護焊工藝方法。試驗材料為鋼級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氣體保護焊設(shè)備對鋼管和鎖扣之間的連接處角焊縫進行人工輔助的半自動施焊。

圖3 鋼管樁與鎖扣組對圖

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。

表1 鋼管母材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 C9鎖扣和焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表3 S355J0級鋼管母材的拉伸試驗結(jié)果

表4 C9鎖扣拉伸試驗結(jié)果

1.2 試驗方法

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”點位置(最高點)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)點利用米尺向鋼管圓周1/4方向測量A,B兩點位置并標(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行劃線，A1和A2連線、B1和B2連線即為鎖扣的實際位置。

鎖扣的固定與定位需要采用工裝進行校正以確保鎖扣的直度。鎖扣定位之后，采用半自動CO2氣體保護焊進行焊接：實芯焊絲φ1.2 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φ4.8 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。

圖4 冷絲預(yù)置

表5 焊接參數(shù)

2. 試驗結(jié)果與分析

2.1 拉伸試驗方案

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

圖5 鎖扣拉伸試樣

圖6 鎖扣焊縫拉伸試驗方法

2.2 拉伸試驗

選擇4組試樣進行拉伸試驗，見表6。4組試樣分別施加340 kN，355 kN，370 kN，372 kN的拉力進行試驗，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。

表6 拉伸試驗結(jié)果

2.3 金相檢驗

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。

圖7 焊縫形貌

圖8 焊縫組織

圖9 HAZ組織

2.4 磁粉無損檢驗

對鎖扣焊縫表面進行了外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)表面缺陷，對2條鎖扣的4條焊縫進行100%磁粉無損檢驗，均未發(fā)現(xiàn)顯微裂紋和弧坑裂紋等缺陷，檢驗結(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)進行焊接，此種情況下，為達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。

圖10 焊接變形的鎖扣

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。