大壁厚焊管預(yù)熱四絲埋弧焊工藝研究

趙 波， 王 濤， 楊瑋瑋， 趙與越， 侯樹林， 孫 奇

（1. 中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司， 河北 青縣062658；2. 中國(guó)石油技術(shù)開發(fā)公司， 北京100009）

目前， 油氣輸送用管線管焊接生產(chǎn)所使用的最主要焊接工藝方法為多絲埋弧焊， 由于常規(guī)多絲埋弧焊焊接線能量大及熔池過(guò)熱度大， 容易導(dǎo)致焊縫和粗晶區(qū)晶粒粗化、 低溫沖擊韌性降低。另外， 隨著近些年大輸量、 大直徑、 高鋼級(jí)、 大壁厚油氣焊管的設(shè)計(jì)及大批量生產(chǎn)應(yīng)用， 高鋼級(jí)、 大壁厚成為一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)， 常規(guī)多絲埋弧焊工藝呈現(xiàn)出焊接速度逐漸降低、 焊接線能量逐漸增大的趨勢(shì)。 對(duì)于焊管制造企業(yè)， 首先要保證焊管焊接接頭的各項(xiàng)力學(xué)性能， 另一方面也需要考慮提高焊接生產(chǎn)效率、 降低焊接生產(chǎn)成本的問(wèn)題。 為了提高大壁厚焊管焊接速度， 改善焊縫及熱影響區(qū)的組織性能， 本研究采用熔敷速度快、 焊接線能量較低的大干伸長(zhǎng)預(yù)熱焊絲多絲埋弧焊接工藝進(jìn)行了焊接試驗(yàn)研究。

1 預(yù)熱焊絲埋弧焊原理

預(yù)熱焊絲埋弧焊是通過(guò)加大焊絲干伸長(zhǎng)， 利用焊接電流在大干伸長(zhǎng)焊絲中產(chǎn)生的電阻熱將焊絲加熱到較高溫度， 對(duì)焊絲預(yù)熱， 然后再將焊絲送入電弧區(qū)域， 從而提高單位電流焊絲熔化速度的焊接方法， 其原理如圖1 所示。 該工藝不需要附加焊絲預(yù)熱電源， 只需要對(duì)原有的埋弧焊槍進(jìn)行改造， 將焊絲干伸長(zhǎng)從正常工藝約25～35 mm增大到60～120 mm， 就可實(shí)現(xiàn)大干伸長(zhǎng)埋弧焊工藝。

圖1 焊絲大干伸長(zhǎng)埋弧焊工藝原理示意圖

根據(jù)楞次焦耳定律， 當(dāng)焊接電流通過(guò)焊絲時(shí)， 焊絲上產(chǎn)生的電阻熱為

式中： Q——通電長(zhǎng)度焊絲產(chǎn)生的電阻熱， J；

I——焊接電流， A；

R——焊絲的電阻， Ω；

ρ——電阻率， Ω·mm；

L——焊絲通電長(zhǎng)度， mm；

A——焊絲通電截面積， mm2；

t——通電時(shí)間。

從公式 （1） 可以看出， 增加焊絲通電長(zhǎng)度即干伸長(zhǎng)， 可以增大焊絲電阻熱。 當(dāng)焊絲干伸長(zhǎng)大幅度增加后， 焊接電流在焊絲上產(chǎn)生的電阻熱會(huì)顯著增加， 這部分電阻熱使焊絲得到充分預(yù)熱， 提高單位電流焊絲熔化量， 加快焊絲熔化速度。

2 預(yù)熱焊絲埋弧焊工藝特點(diǎn)

普通埋弧焊的能量來(lái)源主要是焊接電源提供的電能轉(zhuǎn)換成的電弧熱能， 其熱量的分配大致是焊絲得到28%， 母材得到54%， 焊劑得到18%。 當(dāng)焊接電流通過(guò)大干伸長(zhǎng)的焊絲時(shí)，由于導(dǎo)電嘴伸出部分焊絲電阻顯著加大， 產(chǎn)生較大電壓降， 而且焊接電流越大， 電壓降越大， 電壓降通常達(dá)到2～7 V。 因此， 可以產(chǎn)生很顯著的電阻熱， 焊絲上的電阻熱占焊接回路提供電能的l2%～18%， 電阻熱幾乎都是用于加熱焊絲的， 這時(shí)焊接回路的電能產(chǎn)生的熱量在焊絲、 焊劑、 母材的分配就發(fā)生了變化。 焊絲獲得熱能顯著增加， 母材獲得到的熱能則會(huì)減少。

為了驗(yàn)證大干伸長(zhǎng)預(yù)熱焊絲焊接工藝焊絲熔化速度的實(shí)際效果， 本研究采用Φ4 mm 焊絲30 mm 正常干伸長(zhǎng)和120 mm 大干伸長(zhǎng)進(jìn)行500～900 A 系列交流焊接電流—焊絲熔化速度對(duì)比統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)， 試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1 和表2。 由表1 可以看出， Φ4 mm 焊絲30 mm 干伸長(zhǎng)的單位電流焊絲熔化速度平均為0.21 g/A·min； 由表2 可以看出， Φ4 mm 焊絲120 mm 干伸長(zhǎng)的單位電流焊絲熔化速度平均為0.38 g/A·min。 經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對(duì)比計(jì)算， Φ4 mm 焊絲120 mm 干伸長(zhǎng)的單位電流焊絲熔化速度平均比30 mm 干伸長(zhǎng)提高了81%。 因此可以看出， 大干伸長(zhǎng)焊接工藝具有高熔化速度、 低焊接線能量的工藝特點(diǎn)。

表1 Φ4 mm 焊絲30 mm 干伸長(zhǎng)埋弧焊接參數(shù)及熔化速度

表2 Φ4 mm 焊絲120 mm 大干伸長(zhǎng)埋弧焊接參數(shù)及熔化速度

3 預(yù)熱四絲埋弧焊對(duì)比試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 在同樣焊接電流條件下， 大干伸長(zhǎng)預(yù)熱焊絲埋弧焊接工藝具有焊絲熔化量大、 熔深偏小的特點(diǎn)。 所以在厚壁鋼板多絲埋弧焊試驗(yàn)中， 為了保證熔深， 1#焊絲仍然采用Φ4 mm 規(guī)格30 mm 正常干伸長(zhǎng)、 大電流、 低電壓的常規(guī)焊接參數(shù)， 2#～4#焊絲采用120 mm 大干伸長(zhǎng)預(yù)熱焊絲工藝， 如圖2 所示。

圖2 大干伸長(zhǎng)預(yù)熱四絲埋弧焊照片

為了驗(yàn)證大干伸長(zhǎng)預(yù)熱焊絲焊接工藝在直縫焊管多絲埋弧焊中應(yīng)用的實(shí)際效果， 設(shè)計(jì)了X80鋼級(jí)、 38.5 mm 壁厚焊接試板的Φ4 mm 焊絲30 mm 正常干伸長(zhǎng)和大干伸長(zhǎng)預(yù)熱焊絲四絲埋弧焊接工藝對(duì)比試驗(yàn)。 本研究?jī)煞N焊接工藝采用相同成分的某鋼廠38.5 mm 壁厚的鋼板母材、 H08C焊絲、 SJ102 焊劑和相同的坡口形狀和尺寸。 焊后分別對(duì)兩種焊接工藝的試板進(jìn)行了X 光拍片和超聲波手探， 均未發(fā)現(xiàn)缺陷。 其中， 鋼板母材的化學(xué)成分見(jiàn)表3， 常規(guī)四絲埋弧焊工藝參數(shù)和焊縫熔敷金屬成分見(jiàn)表4、 表5； 大干伸長(zhǎng)預(yù)熱四絲埋弧焊工藝參數(shù)和焊縫熔敷金屬成分見(jiàn)表6、 表7。 兩種焊接工藝形成的焊縫宏觀形貌如圖3 所示。

由表4、 表6 可以看出， X80 鋼級(jí)38.5 mm壁厚試板采用焊絲大干伸長(zhǎng)焊接工藝后， 內(nèi)、 外焊速度分別比常規(guī)四絲焊提高61.1%和64.7%，內(nèi)、 外焊縫焊接線能量分別降低到常規(guī)四絲焊的70.4%和79.3%。

從圖3 焊縫宏觀金相對(duì)比可以明顯看出， 大干伸長(zhǎng)預(yù)熱四絲埋弧焊工藝中母材的熔化量明顯減少， 焊縫熔合比顯著降低， 熱影響區(qū)寬度相對(duì)減小。

表3 X80 鋼母材化學(xué)成分 %

表4 X80 鋼級(jí)38.5 mm 壁厚試板常規(guī)四絲埋弧焊接工藝參數(shù)

表5 常規(guī)四絲焊縫熔敷金屬化學(xué)成分 %

表6 X80 鋼級(jí)38.5 mm 壁厚試板大干伸長(zhǎng)四絲埋弧焊接工藝參數(shù)

表7 預(yù)熱四絲焊縫熔敷金屬化學(xué)成分 %

圖3 兩種焊接工藝焊縫宏觀形貌

從兩種焊接工藝的焊接試板上分別取金相試樣， 利用金相顯微鏡對(duì)焊縫和熱影響區(qū)組織進(jìn)行了對(duì)比， 對(duì)比結(jié)果如圖4 所示。 從圖4 可以看出， 預(yù)熱四絲埋弧焊工藝與常規(guī)四絲埋弧焊工藝的焊縫和熱影響區(qū)粗晶區(qū)的金相組織差別不大。

圖4 兩種焊接工藝焊縫及熱影響區(qū)金相組織

按照API SPEC 5L 《管線鋼管規(guī)范》 進(jìn)行了焊接接頭拉伸試驗(yàn)和夏比沖擊試驗(yàn)。 表8 為兩種焊接工藝焊縫、 熱影響區(qū)的沖擊韌性和焊接接頭抗拉強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果。 《西氣東輸四線天然氣管道工程技術(shù)規(guī)范 第4 部分： X80 級(jí)直縫埋弧焊管技術(shù)條件》 中規(guī)定的焊縫及熱影響區(qū)-10 ℃夏比沖擊韌性單值≥60 J、 均值≥80 J。 從表8 數(shù)據(jù)可以看出， 在-10 ℃沖擊對(duì)比試驗(yàn)中， 預(yù)熱四絲埋弧焊工藝的內(nèi)焊縫、 重疊區(qū)、 外焊縫的沖擊功平均值分別為162 J、 155 J 和130 J， 內(nèi)焊縫、 重疊區(qū)、 外焊縫沖擊功平均值分別為217 J、 311 J和285 J， 焊接接頭抗拉強(qiáng)度為675 MPa； 常規(guī)四絲埋弧焊工藝的內(nèi)焊縫、 重疊區(qū)、 外焊縫沖擊功平均值分別為165 J、 147 J 和179 J， 內(nèi)焊縫、 重疊區(qū)、 外焊縫沖擊功平均值分別為322 J、 368 J 和362 J， 焊接接頭抗拉強(qiáng)度為690 MPa。 整體來(lái)看， 兩種工藝的焊縫沖擊功平均值、 焊接接頭抗拉強(qiáng)度都很接近， 但是預(yù)熱四絲埋弧焊工藝的熱影響區(qū)沖擊功平均值明顯低于常規(guī)四絲埋弧焊工藝。 分析認(rèn)為主要是因?yàn)轭A(yù)熱四絲埋弧焊工藝的焊接線能量比常規(guī)四絲埋弧焊工藝降低了14%～20%， 雖然其熱影響區(qū)晶粒有所細(xì)化， 理論上其熱影響區(qū)沖擊性能應(yīng)該優(yōu)于常規(guī)四絲埋弧焊工藝， 但是其熔合線斜率顯著大于常規(guī)四絲埋弧焊工藝， 并且現(xiàn)有的沖擊試驗(yàn)取樣方法會(huì)影響熱影響區(qū)的沖擊數(shù)據(jù)。 建議通過(guò)依次適當(dāng)加大預(yù)熱四絲埋弧焊工藝中2#～4#焊絲的焊接電壓， 調(diào)整焊縫熔合線的斜率， 適當(dāng)改善該工藝的焊縫熱影響區(qū)沖擊韌性。

表8 低溫沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

在本次X80 鋼級(jí)38.5 mm 壁厚管線鋼板的焊接對(duì)比試驗(yàn)中， 大干伸長(zhǎng)預(yù)熱四絲埋弧焊工藝比常規(guī)四絲埋弧焊工藝的焊接速度提高了60%～65%。 常規(guī)四絲埋弧焊工藝焊縫、 熱影響區(qū)-10 ℃沖擊功平均值分別為163 J 和350 J； 預(yù)熱四絲埋弧焊工藝焊縫、 熱影響區(qū)-10 ℃沖擊功平均值分別為149 J、 271 J， 比常規(guī)四絲埋弧焊工藝分別降低了14 J 和79 J， 但遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于 《西氣東輸四線天然氣管道工程技術(shù)規(guī)范 第4 部分：X80 級(jí)直縫埋弧焊管技術(shù)條件》 中的要求（焊縫及熱影響區(qū)-10 ℃夏比沖擊韌性單值≥60 J、 均值≥80 J）， 兩種焊接工藝的焊接接頭抗拉強(qiáng)度基本相當(dāng)。 根據(jù)本次焊接對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看， 初步認(rèn)為大干伸長(zhǎng)預(yù)熱四絲埋弧焊工藝可以滿足相關(guān)焊管技術(shù)條件中產(chǎn)品的力學(xué)性能指標(biāo)。