油氣管道自動(dòng)焊接焊縫檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究

沈桓宇，劉 元，豐兆安

（1.南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，四川南充 637000；2.成都國(guó)科檢測(cè)技術(shù)有限公司，四川成都 610000；3.中國(guó)石油寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞 721000）

1 管道自動(dòng)焊接

油氣管道環(huán)縫焊接多數(shù)在野外施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，通常工作環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)于焊工技術(shù)要求高?，F(xiàn)有的手工焊和半自動(dòng)焊焊接效率低，對(duì)焊接人員技術(shù)要求高，管道自動(dòng)焊接在油氣工程的運(yùn)用，可以很好地改善這些問(wèn)題。油氣用鋼管的強(qiáng)度等級(jí)較高，管徑和壁厚較大，油氣管線施工多以自動(dòng)焊和半自動(dòng)焊為主，手工焊為輔。油氣輸送管線的焊接質(zhì)量要求很高，既要控制缺陷的產(chǎn)生，又要焊道內(nèi)表面光滑，因此如何提高焊接效率和焊接質(zhì)量成為首要問(wèn)題[1-3]。

管道自動(dòng)焊接主要由焊接電源、水冷系統(tǒng)、機(jī)械機(jī)構(gòu)、管道自動(dòng)焊接控制系統(tǒng)等部分組成，綜合運(yùn)用了機(jī)械、電子、控制、信息、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科相關(guān)知識(shí)和新興技術(shù)，減輕焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度。主要有以下特點(diǎn)：

1）體積小、重量輕，便攜式的設(shè)計(jì)使得它能夠適應(yīng)油氣工程施工作業(yè)的要求。

2）設(shè)備智能化程度高，坡口焊道形狀自動(dòng)適應(yīng)，實(shí)時(shí)調(diào)整焊接參數(shù)。

3）采用管子固定、磁小車(chē)抱柱爬行的方式，實(shí)現(xiàn)油氣工程管道全位置自動(dòng)焊接。

4）焊縫成型好、缺陷少而且美觀。

2 管道焊接實(shí)驗(yàn)理論分析

在油氣管道焊接工程中，埋弧自動(dòng)焊不適用于管道焊接，電阻閃光焊由于我國(guó)地理環(huán)境因素不適用，鎢極氬弧自動(dòng)焊和熔化極全位置自動(dòng)焊在施工中易出現(xiàn)焊縫未熔合、氣孔、夾渣等缺陷，而單槍雙絲焊接技術(shù)可以在一定程度上解決上述問(wèn)題[4-5]。

在單槍雙絲管道自動(dòng)焊接工藝參數(shù)中，焊接速度與焊接電壓及焊接電流的匹配對(duì)焊縫成型及焊接質(zhì)量影響很大。為了有效研究并分析管道自動(dòng)焊接質(zhì)量差等問(wèn)題，以X70管線鋼為對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)焊接實(shí)驗(yàn)，針對(duì)焊接后形成的焊縫分別作焊縫外觀實(shí)驗(yàn)、X射線無(wú)損探傷實(shí)驗(yàn)、焊縫成型特征實(shí)驗(yàn)、低溫沖擊韌性實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)油氣管道分別進(jìn)行打底層、填充層、蓋面層自動(dòng)焊接，焊后對(duì)焊縫外觀進(jìn)行目視檢驗(yàn)，查看焊縫成形是否有未熔、裂紋、表面氣孔等缺陷，并對(duì)自動(dòng)焊接后的焊縫質(zhì)量進(jìn)行分析研究，對(duì)提高管道自動(dòng)焊接質(zhì)量具有重要意義[6-7]。

3 管道焊縫實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)材料分析

X70管線鋼的顯微組織如圖1所示，化學(xué)成分、力學(xué)性能如表1和表2所示。

圖1 X70管線鋼顯微組織

表1 X70管線鋼的化學(xué)成分（%）

表2 X70管線鋼的力學(xué)性能

3.2 焊縫外觀實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料是國(guó)產(chǎn)X70油氣管線鋼管，管道直徑1 016mm， 管壁厚度17.5mm。焊接保護(hù)氣采用混合富氬氣體（85%Ar2+ 15%CO2）保護(hù)，并設(shè)定氣體流量為15～18L/min。

以焊接速度850mm/min、焊接電壓25V、焊接電流250A對(duì)管道作雙絲自動(dòng)焊接實(shí)驗(yàn)，分別進(jìn)行打底層、填充層、蓋面層焊接，對(duì)焊接后的焊縫進(jìn)行外觀分析，從圖2可以看出，焊縫表面沒(méi)有未熔、氣孔和咬邊等缺陷，焊接質(zhì)量較好。

圖2 焊縫外觀圖

3.3 X射線無(wú)損探傷實(shí)驗(yàn)

X射線探傷結(jié)果部分照片如圖3所示，焊縫層間熔合比較理想，焊縫平滑，整個(gè)焊縫無(wú)明顯未熔、氣孔、咬邊等缺陷。

圖3 焊縫X射線無(wú)損探傷

3.4 焊縫成型特征實(shí)驗(yàn)

將焊后所制備的焊縫試樣拋光，再用4%的硝酸酒精腐蝕后得到焊縫尺寸，用精確度為0.02mm的游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量，如圖4所示。

圖4 焊縫成型特征圖

焊縫成形特征可由熔深、熔寬及余高等參數(shù)來(lái)表征。在自動(dòng)焊接過(guò)程中，熔池的形狀直接決定著焊后焊縫成型特征。當(dāng)電弧移動(dòng)時(shí)，焊縫金屬的晶?？偸且匀鄢匚膊窟吘壞覆陌肴刍Я榛A(chǔ)，背著散熱方向即垂直熔池壁方向生長(zhǎng)的，因此無(wú)論從橫向或縱向看，焊縫成形特征還對(duì)焊縫金屬結(jié)晶方向、雜質(zhì)偏析及裂紋傾向等焊縫的冶金質(zhì)量有很大的影響。由游標(biāo)卡尺測(cè)得焊縫的具體尺寸數(shù)據(jù)為：熔寬12.5mm，余高1.9mm。

3.5 低溫沖擊韌性實(shí)驗(yàn)

沖擊實(shí)驗(yàn)采用JB-300B半自動(dòng)沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)，低溫沖擊韌性實(shí)驗(yàn)（-20℃）按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229金屬夏比缺口沖擊實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

低溫沖擊實(shí)驗(yàn)應(yīng)按圖5所示的位置，在焊接接頭的相近位置截取一個(gè)試塊，用試塊機(jī)加工出三塊試樣，缺口開(kāi)在焊縫垂直中心線上。

圖5 沖擊試件截取位置示意圖

焊縫沖擊實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 沖擊實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)焊縫依據(jù)圖5所示位置分別進(jìn)行取樣，制備試樣尺寸為10mm×10mm×55mm，并進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，所得焊縫處沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 焊縫沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由上表可以看出，焊縫的沖擊吸收功都高于標(biāo)準(zhǔn)值。

選用沖擊吸收功最小試樣（98.5J）的斷口，在6360LV型掃描電子顯微鏡（SEM）下進(jìn)行觀察。觀察時(shí)為了保證試樣的良好導(dǎo)電性，在觀察表面上用導(dǎo)電膠帶黏連。對(duì)斷口進(jìn)行掃描，以下分別給出焊縫沖擊斷口500X和1 000X掃描結(jié)果如圖6所示。

圖6 沖擊試樣斷口掃描

由掃描照片可知，試件斷口呈凹凸不平的纖維狀，斷面形狀不規(guī)則，沖擊斷口微觀形貌主要是韌窩，可以看到非常多的并且大小一致的等軸韌窩，放大些可以看出少量的撕裂韌窩，韌性較好，在沖擊過(guò)程中有較大的塑性變形，對(duì)應(yīng)著較高的沖擊吸收功，該焊縫焊接質(zhì)量較好。

4 結(jié)論

1）以焊接速度850mm/min、焊接電壓25V、焊接電流250A對(duì)管道作雙絲自動(dòng)焊接實(shí)驗(yàn)，對(duì)焊接后的焊縫進(jìn)行外觀分析，發(fā)現(xiàn)焊縫表面都沒(méi)有未熔、氣孔和咬邊等缺陷，焊接質(zhì)量較好。

2）通過(guò)對(duì)焊縫進(jìn)行X射線探傷實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)焊縫層間熔合比較理想，焊縫平滑，整個(gè)焊縫無(wú)明顯未熔、氣孔、咬邊等缺陷。

3）通過(guò)對(duì)焊縫試件進(jìn)行低溫沖擊韌性實(shí)驗(yàn)，試件斷口呈凹凸不平的纖維狀，斷面形狀不規(guī)則，沖擊斷口微觀形貌可以看到非常多的并且大小一致的等軸韌窩，韌性較好，在沖擊過(guò)程中有較大的塑性變形，對(duì)應(yīng)著較高的沖擊吸收功，驗(yàn)證焊接質(zhì)量較好。