金屬粉芯焊絲在工業(yè)壓力管道焊接中的應(yīng)用

羅曉軍，呂仲光，何世軍，童愛(ài)群，周光河

中石油第二建設(shè)有限公司，甘肅蘭州730060

隨著科技的進(jìn)步以及對(duì)高效率和環(huán)保的要求，金屬粉芯焊絲因具有焊接質(zhì)量高、工藝性能好、熔敷速度快及綜合成本低等優(yōu)點(diǎn)，作為新型焊接材料逐步在長(zhǎng)輸管道、海洋工程、船舶制造等領(lǐng)域得到了關(guān)注和應(yīng)用，但在工業(yè)管道中一直未得到應(yīng)用。

金屬粉芯焊絲的藥芯部分主要是金屬粉（鐵粉、合金粉、脫氧劑），占比達(dá)80%～90%，只有少量的穩(wěn)弧劑和造渣劑。從焊絲的成分和焊接操作來(lái)看，更接近于傳統(tǒng)實(shí)芯焊絲，從制造工藝與焊絲結(jié)構(gòu)來(lái)看，接近于傳統(tǒng)熔渣型藥芯焊絲。所以，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)AWS 將金屬粉芯型藥芯焊絲歸于實(shí)芯焊絲，而日本、歐洲EN 和ISO 則將其歸類為藥芯焊絲，我國(guó)也將其歸類為藥芯焊絲[1]。

某煉化裝置工業(yè)壓力管道項(xiàng)目的打底焊一直以鎢極氬弧焊為主，該工藝焊縫成型美觀，但對(duì)保護(hù)氣體純度要求高，易出現(xiàn)氣孔、未熔合、未焊透等缺陷，熔敷系數(shù)較低，因而焊接效率低。為此，對(duì)金屬粉芯焊絲氣保護(hù)焊進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)研究。

1 優(yōu)點(diǎn)分析

金屬粉芯焊絲氣保護(hù)焊應(yīng)用于碳鋼工業(yè)管道具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，金屬粉芯焊絲兼具實(shí)芯焊絲和熔渣型藥芯焊絲的優(yōu)點(diǎn)，由于在金屬粉芯中添加了傳統(tǒng)熔渣型藥芯焊絲中的穩(wěn)弧劑，所以電弧較實(shí)芯焊絲更穩(wěn)定，飛濺更少。第二，金屬粉芯中鐵粉、合金粉都轉(zhuǎn)化成了焊縫金屬，熔敷效率高，熔敷速度比實(shí)芯焊絲快20%[1]，使焊接高效化，且?guī)缀鯖](méi)有熔渣，非常適合于根焊，還可有效減少未熔合、夾渣等缺陷。第三，金屬粉芯焊絲屬無(wú)縫藥芯焊絲，具有超低擴(kuò)散氫和極強(qiáng)的抗吸潮性，可有效降低冷裂紋的產(chǎn)生[2]。第四，金屬粉芯焊絲電弧很軟，飛濺、發(fā)塵量比實(shí)芯焊絲要少1/2，可大大減輕清理飛濺的作業(yè)量。第五，RMD 氣保焊技術(shù)可以克服根部間隙不均勻、坡口不良、錯(cuò)邊等焊接不利因素，飛濺極少，熱影響區(qū)較小，可有效減少焊接變形和燒穿，大大提高施工效率和焊接質(zhì)量[3]。

2 焊接工藝試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

（1） 選用碳鋼管道分別進(jìn)行金屬粉芯焊絲RMD 根焊+焊條電弧焊填充、蓋面焊試驗(yàn)和金屬粉芯焊絲RMD 根焊+熔化極藥芯焊絲氣體保護(hù)焊填充、蓋面焊試驗(yàn)，并對(duì)焊接接頭進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，以檢驗(yàn)金屬粉芯焊絲RMD 根焊應(yīng)用于工業(yè)壓力管道的可行性。

（2） 對(duì)金屬粉芯焊絲RMD 根焊與傳統(tǒng)的鎢極氬弧焊根焊在焊接效率和經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)和分析，進(jìn)一步檢驗(yàn)金屬粉芯焊絲RMD 根焊應(yīng)用于工業(yè)壓力管道的經(jīng)濟(jì)性。

2.2 試驗(yàn)材料、焊接設(shè)備和坡口組對(duì)

（1） 試驗(yàn)材料[4]與焊接設(shè)備。母材：選用20鋼，規(guī)格D219 mm×8 mm，符合GB/T 9948—2013標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)用焊接材料：焊條選用E4315（J427），直徑為3.2 mm，符合NB/T 47018.2—2017 標(biāo)準(zhǔn)，安泰科技股份有限公司生產(chǎn)；金屬粉芯焊絲選用E70C-6M-H4，大西洋焊接材料股份公司生產(chǎn)；藥芯焊絲選用T492T1-1，符合GB/T 10045—2018 標(biāo)準(zhǔn)，三英焊業(yè)股份有限公司生產(chǎn)；焊絲直徑均為1.2 mm，焊接材料的力學(xué)性能如表1 所示。焊接設(shè)備采用米勒有限公司PipeWorxTM- 400 焊接系統(tǒng)。

（2） 坡口組對(duì)及焊前準(zhǔn)備。試件坡口如圖1所示，坡口角度α = 60°±2°，組對(duì)間隙b =3.0～4.0 mm，坡口鈍邊p=0.5～1.5 mm。焊接前應(yīng)去除焊件坡口及兩側(cè)20～50 mm 范圍的鐵銹、氧化皮及油污等。

表1 焊接材料力學(xué)性能（實(shí)測(cè)）

圖1 坡口形式

2.3 焊接工藝參數(shù)

分別進(jìn)行了金屬粉芯焊絲RMD 根焊+焊條電弧焊和熔化極藥芯焊絲氣體保護(hù)焊填充、蓋面焊試驗(yàn)，金屬粉芯焊絲RMD 根焊保護(hù)氣采用20%CO2+80% Ar 的混合氣體（其中CO2的純度超過(guò)99.5%，Ar 的純度超過(guò)99.99%），藥芯焊絲氣保護(hù)焊的保護(hù)氣體為100%的CO2，兩種試驗(yàn)方案的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

3 焊接試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

金屬粉芯焊絲RMD 根焊+焊條電弧焊填充、蓋面焊試驗(yàn)和金屬粉芯焊絲RMD 根焊+熔化極藥芯焊絲氣體保護(hù)焊填充、蓋面焊試驗(yàn)的焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。從表3 可以看出，用金屬粉芯焊絲RMD 根焊的2 組試驗(yàn)焊接接頭的力學(xué)性能、彎曲性能全部滿足NB/T 47014—2011[5]工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)要求。上述試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了金屬粉芯焊絲RMD 根焊工藝的可行性，金屬粉芯焊絲氣保護(hù)焊根焊可用于焊接碳鋼類工業(yè)壓力管道。

3.2 焊接經(jīng)濟(jì)性對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

金屬粉芯焊絲RMD 氣保護(hù)焊（GMAW） 根焊和鎢極氬弧焊（GTAW） 根焊時(shí)間對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，金屬粉芯焊絲RMD 根焊厚度為4.0 ～4.5 mm，鎢極氬弧焊根焊厚度為2.5 ～3.0 mm。金屬粉芯RMD 氣保護(hù)焊（GMAW） 根焊和鎢極氬弧焊（GTAW） 根焊的成本對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表5。

表2 焊接工藝參數(shù)（母材20 鋼，規(guī)格D219 mm×8 mm）

表3 焊接接頭的力學(xué)性能

從表4 和表5 可以看出，在同種條件下，金屬粉芯焊絲RMD 根焊時(shí)間比鎢極氬弧焊根焊時(shí)間節(jié)約3 倍，焊接材料成本節(jié)約50%，說(shuō)明金屬粉芯氣保護(hù)焊用于碳鋼管道根焊可有效提高焊接效率，降低成本，是一種高質(zhì)高效的工業(yè)壓力管道打底焊接工藝技術(shù)。

表4 金屬粉芯焊絲RMD 氣保護(hù)焊和鎢極氬弧焊根焊時(shí)間對(duì)比

表5 金屬粉芯焊絲RMD 氣保護(hù)焊和鎢極氬弧焊根焊材料成本對(duì)比

4 工程應(yīng)用

在某PSA 氫氣流程優(yōu)化項(xiàng)目的工藝管道焊接中，應(yīng)用了金屬粉芯焊絲RMD 焊接技術(shù)進(jìn)行根焊，焊接取得了良好效果。管道規(guī)格為D 426 mm×10 mm，材質(zhì)為20 鋼，根焊縫背面、正面成形效果見(jiàn)圖2、圖3。

從圖2、圖3 可以看出，焊縫內(nèi)外成形良好，坡口附近飛濺小，焊縫質(zhì)量好。在該實(shí)際工程應(yīng)用項(xiàng)目中，金屬粉芯焊絲RMD 氣保護(hù)焊（GMAW）高效率的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步得到了體現(xiàn)，相比于鎢極氬弧焊（GTAW），打底時(shí)間節(jié)約了80%，熔敷金屬填充厚度增加了20%，極大節(jié)省了人力物力，提高了焊接效率。

圖2 根焊縫背面成形

圖3 根焊縫正面成形

5 結(jié)論

（1） 從本研究試驗(yàn)結(jié)果可知，采用金屬粉芯焊絲RMD 氣保護(hù)焊進(jìn)行根焊可提供較大的熔深并保證焊縫背面的成形，得到的接頭焊縫形狀合理，焊縫力學(xué)性能完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，因此金屬粉芯焊絲氣保護(hù)焊可應(yīng)用于碳鋼工業(yè)管道根焊。

（2） 在進(jìn)行金屬粉芯焊絲氣保護(hù)焊時(shí)，由于焊縫金屬冷卻速度較快，晶粒較細(xì)，因此焊縫沖擊性能與熱影響區(qū)沖擊性能較相近，焊接接頭性能好。

（3） 金屬粉芯焊絲氣保護(hù)焊根焊厚度為4.0～4.5 mm，不需要熱焊。

（4） 在采用金屬粉芯焊絲氣保護(hù)焊進(jìn)行根焊時(shí)，根焊時(shí)間僅為手工鎢極氬弧焊的1/3～1/4，焊接材料成本僅為手工鎢極氬弧焊的1/2，較大幅度地降低了焊接成本，提高了焊接效率。

（5） 但由于金屬粉芯焊絲氣保護(hù)焊向下焊僅適用于D219 mm 及以上的工業(yè)管道打底焊，因此該因素成為制約金屬粉芯焊絲氣保護(hù)焊技術(shù)在工業(yè)管道中廣泛推廣應(yīng)用的一個(gè)主要原因。