螺旋埋弧預(yù)精焊內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度試驗研究

王興山，茍世峰，王 剛，閻 龍，王曉東，馬朝輝，張江磊，胡緒波

（寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008）

螺旋埋弧預(yù)精焊內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度試驗研究

王興山，茍世峰，王 剛，閻 龍，王曉東，馬朝輝，張江磊，胡緒波

（寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008）

針對螺旋埋弧預(yù)精焊生產(chǎn)過程中偶爾發(fā)生的內(nèi)焊焊縫及熱影響區(qū)（HAZ）硬度超標(biāo)的問題，以X80M管線鋼管的生產(chǎn)為例，通過對焊接坡口、預(yù)精焊匹配參數(shù)、焊接參數(shù)及工藝等的調(diào)整試驗，研究了參數(shù)變化對內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度的影響。試驗及分析結(jié)果表明，在X80M管線鋼管生產(chǎn)過程中，調(diào)整焊接參數(shù)和焊接工藝在一定程度上可以有效降低內(nèi)焊焊縫及HAZ的硬度，從而保證螺旋預(yù)精焊兩步法生產(chǎn)的鋼管的力學(xué)性能。

焊管；螺旋預(yù)精焊；焊接速度；硬度；內(nèi)焊焊縫；HAZ

1 概 述

在螺旋埋弧預(yù)精焊兩步法生產(chǎn)過程中，偶爾會發(fā)生內(nèi)焊焊縫及HAZ（熱影響區(qū)）硬度超標(biāo)的問題。當(dāng)發(fā)生內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度超標(biāo)時，往往會伴隨著背向彎曲不合格。分析認為，多數(shù)彎曲試樣不合格的原因是內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度超標(biāo)或內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度與母材硬度相差較大，造成背向彎曲試樣在內(nèi)焊焊縫熔合線上開裂，起裂點源于內(nèi)焊焊縫及HAZ；個別彎曲試樣不合格的原因是由于原料邊沿化學(xué)成分偏析、夾雜物、分層等母材缺欠所造成。

通過對焊接坡口、預(yù)精焊匹配參數(shù)、焊接參數(shù)及工藝等的調(diào)整，研究了參數(shù)變化對內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度的影響。本試驗采用維氏硬度測量法來測量內(nèi)焊縫及HAZ的硬度，試驗位置如圖1所示。

圖1 硬度檢測位置示意圖

2 試驗及結(jié)果

2.1 試驗材料

試驗原料采用X80M管線鋼，壁厚18.4 mm，焊接材料為BG-H08C焊絲和BG-SJ101H1焊劑。采用預(yù)精焊兩步法，內(nèi)外焊雙絲埋弧焊接工藝，其化學(xué)成分見表1。

表1 試驗用材料的化學(xué)成分 %

2.2 試驗方法及結(jié)果

2.2.1 改變預(yù)焊焊接坡口形狀

焊接速度為1.30 m/min，內(nèi)焊1#焊絲電流為1 020 A、電壓35.5 V，內(nèi)焊2#焊絲電流630 A、電壓37.5 V，外焊1#焊絲電流1 100 A、電壓32.5 V，外焊2#焊絲電流460 A、電壓34.5 V，其他參數(shù)不變的條件下，調(diào)整焊接坡口形狀進行預(yù)精焊兩步法生產(chǎn)，相關(guān)的試驗檢測結(jié)果見表2。

表2 僅改變坡口形狀的焊接試驗檢測結(jié)果

2.2.2 調(diào)整預(yù)精焊焊材匹配參數(shù)

預(yù)焊焊接速度2.8m/min，預(yù)焊電流600 A、電壓22.5 V；精焊焊接速度1.30 m/min，精焊內(nèi)焊1#焊絲電流1 000 A、電壓36 V，內(nèi)焊2#焊絲電流630 A、電壓38 V，其他參數(shù)不變的條件下，調(diào)整預(yù)精焊匹配參數(shù)，進行預(yù)精焊兩步法生產(chǎn)，共選擇了12種焊接材料的匹配方案，然后進行相關(guān)的試驗，檢測結(jié)果見表3。

表3 調(diào)整預(yù)精焊匹配參數(shù)的焊接試驗檢測結(jié)果

2.2.3 調(diào)整精焊焊接工藝

預(yù)焊焊接速度2.8m/min，預(yù)焊電流600A、電壓22.5 V，選用H08C焊絲匹配；精焊焊接速度1.30 m/min，內(nèi)焊2#焊絲選用H08C+H1匹配，其他參數(shù)不變的條件下，調(diào)整外焊焊接參數(shù)和焊接工藝，進行預(yù)精焊兩步法生產(chǎn)，共選擇了5種焊接工藝及參數(shù)，然后進行相關(guān)的試驗，檢測結(jié)果見表4。

表4 調(diào)整外焊焊接參數(shù)及焊接工藝的焊接試驗檢測結(jié)果

2.2.4 調(diào)整精焊焊接參數(shù)

預(yù)焊焊接速度2.8m/min，預(yù)焊電流600A、電壓22.5V，選用H08Mn2SiA焊絲匹配；精焊內(nèi)焊2#焊絲匹配H08Mn2SiA+H1，其他參數(shù)不變的條件下，調(diào)整焊接速度及參數(shù)，進行預(yù)精焊兩步法生產(chǎn)，共選擇6種焊接參數(shù)，試驗檢測結(jié)果見表5。

表5 調(diào)整焊接參數(shù)及焊接速度的焊接試驗檢測結(jié)果

3 試驗結(jié)果分析

3.1 焊接坡口對硬度的影響

圖2 焊接坡口參數(shù)對內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度的影響

對僅改變焊接坡口形狀的焊接試樣進行硬度檢測，結(jié)果如圖2所示。從圖2和表2的檢測結(jié)果可以看出，坡口角度及鈍邊尺寸調(diào)整后，SY-1和SY-3試樣的力學(xué)性能合格，SY-2和SY-4試樣的力學(xué)性能和內(nèi)焊硬度存在個別點超標(biāo)的情況，內(nèi)焊焊縫及HAZ的硬度均有所增加，但總體變化不明顯。由此可見，改變焊接坡口形狀對內(nèi)焊焊縫及HAZ的力學(xué)性能和硬度有一定的影響，這有助于在生產(chǎn)過程中選擇最佳的坡口角度和鈍邊尺寸。

3.2 預(yù)精焊焊材匹配對硬度的影響

3.2.1 預(yù)焊焊絲對硬度的影響

預(yù)焊采用了兩種焊絲匹配，分別為BGH08C和BG-H08Mn2SiA，對兩種焊絲的6種匹配進行了焊接試驗，焊接試樣內(nèi)焊焊縫及HAZ的硬度檢測結(jié)果如圖3所示。

圖3 預(yù)焊焊絲對內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度的影響

從圖3和表3可以看出，預(yù)焊選用H08C焊絲時，內(nèi)焊焊縫及HAZ平均硬度略高于預(yù)焊采用H08Mn2SiA焊絲，由于預(yù)焊焊絲只作為預(yù)精焊兩步法焊接工藝的定位焊，焊縫的最終性能主要取決于精焊焊縫，結(jié)合彎曲試樣情況，在實際生產(chǎn)中，可以考慮預(yù)焊采用低匹配焊絲進行焊接。

3.2.2 精焊焊劑對硬度的影響

精焊焊劑選擇了兩種規(guī)格，分別為BGSJ101H1和BG-SJ101G4，對兩種焊劑的12種匹配進行了焊接試驗，焊接試樣內(nèi)焊焊縫及HAZ的硬度檢測結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同精焊焊劑對內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度的影響

從圖4和表3可以看出，精焊選用焊劑H1時，SY-8和SY-11兩種試樣的匹配效果比較好，但在實際驗證過程中，SY-8匹配存在彎曲試樣不合格現(xiàn)象，因此精焊選用焊劑H1時，一般選用SY-11的焊絲焊劑匹配較好；精焊選用焊劑G4時，SY-10和SY-16兩種試樣的匹配效果比較好，且SY-16焊接材料匹配的硬度要好于SY-10，但在實際驗證過程中，有個別SY-16試樣的內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度超標(biāo)。

3.2.3 精焊內(nèi)焊2#焊絲匹配對金相硬度的影響

試驗時保持精焊內(nèi)焊1#焊絲不變，只對2#焊絲進行調(diào)整。選擇了3種規(guī)格的焊絲，分別為H08Mn2SiA，H08C和H08E，對三種焊絲的12種匹配進行了焊接試驗，焊接試件內(nèi)焊焊縫及HAZ的硬度檢測結(jié)果如圖5所示。

從圖5和表3可以看出，精焊內(nèi)焊2#焊絲選用H08Mn2SiA焊絲時，SY-11試樣匹配的內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度較低，效果比較理想；選用H08C焊絲時，SY-8試樣匹配的內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度較低，但在正常生產(chǎn)過程中，容易出現(xiàn)彎曲試樣不合格的問題；選用H08E焊絲時，SY-16試樣匹配的內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度較低。

另外，從圖5可以看出，精焊內(nèi)焊2#焊絲選用H08C，H08E和H08MnSiA時，內(nèi)焊焊縫的平均硬度均低于280 HV10，但在兩步法焊接生產(chǎn)時，調(diào)整精焊內(nèi)焊2#焊絲匹配對降低內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度的效果并不明顯。

3.3 精焊焊接工藝對硬度的影響

對精焊焊接工藝進行了只有內(nèi)焊焊縫、內(nèi)外焊同時進行焊接（間隔半個螺距）、內(nèi)外焊分開焊接3種工藝配置，設(shè)置了兩種焊接參數(shù)，分別進行了焊接試驗，找出影響內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度偏高的原因。焊接試樣內(nèi)焊焊縫及HAZ的硬度檢測結(jié)果如圖6所示。

從圖6和表4可看出，采用不同焊接工藝時，SY-17-1和SY-17兩種焊接工藝配置的內(nèi)焊焊縫金相硬度低于內(nèi)外焊同時焊接的工藝，且SY-17-2工藝硬度較低?？梢娫谙嗤附訁?shù)下，焊接工藝對內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度的影響比較大，外焊焊接后，內(nèi)焊焊縫的硬度平均值增加了20 HV10左右；焊接參數(shù)配置的優(yōu)化調(diào)整對降低內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度的影響不明顯，但參數(shù)配置的調(diào)整在一定程度上降低了外焊焊縫對內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度的影響。

圖5 不同精焊內(nèi)焊2#焊絲對內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度的影響

圖6 精焊焊接工藝及參數(shù)對內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度的影響

3.4 精焊焊接參數(shù)對硬度的影響

在焊接匹配及原料化學(xué)成分不變的情況下，設(shè)定3種焊接速度，并優(yōu)化配置了3種焊接參數(shù)，分別進行了焊接試驗。焊接試樣內(nèi)焊焊縫及HAZ的硬度檢測結(jié)果如圖7所示。

從圖7和表5可以看出，內(nèi)外同時焊接時，分別采用內(nèi)大外小和內(nèi)小外大兩種參數(shù)匹配進行焊接試驗，彎曲試驗結(jié)果均合格，內(nèi)焊焊縫金相硬度均低于標(biāo)準要求；焊接速度為1.30 m/min時，內(nèi)大外小參數(shù)匹配試樣的內(nèi)焊焊縫金相硬度低于內(nèi)小外大參數(shù)匹配的試樣；內(nèi)外焊間隔半個螺距焊接時外焊對內(nèi)焊焊縫硬度的影響比較明顯，但精焊內(nèi)焊2#焊絲焊接參數(shù)的改變對降低內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度的影響不明顯。

從圖7和表5可以看出，內(nèi)外同時焊接時，在不同焊接速度下焊后彎曲試驗結(jié)果均合格，且內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度均低于標(biāo)準要求；焊接速度為1.30 m/min時，內(nèi)大外小參數(shù)匹配試樣的內(nèi)焊焊縫硬度最低，低于提高焊接速度后正常參數(shù)配置的試樣；提高焊接速度有利于焊縫的快速冷卻，也有利于降低內(nèi)焊焊縫及HAZ的硬度。

圖7 精焊焊接參數(shù)對內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度的影響

3.5 原料化學(xué)成分對硬度的影響

在焊接匹配及焊接參數(shù)不變的情況下，選擇兩個原料廠家4種化學(xué)成分的原料，分別進行了焊接試驗。焊接試樣內(nèi)焊焊縫及HAZ的硬度檢測結(jié)果如圖8所示，焊接試樣彎曲試驗結(jié)果對比如圖9所示。

從圖8、圖9和表1可以看出，T-2焊接試樣的內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度低于T-1，且T-2試樣焊縫力學(xué)性能優(yōu)于T-1；S-1焊接試樣的內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度低于S-2，相差約20 HV10，且S-1試樣焊縫力學(xué)性能明顯優(yōu)于S-2。由此可見，化學(xué)成分對預(yù)精焊生產(chǎn)的鋼管內(nèi)焊焊縫及HAZ的硬度有一定的影響。

圖8 不同原料的化學(xué)成分對內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度的影響

圖9 不同原料的化學(xué)成分對彎曲試驗結(jié)果的影響

4 結(jié) 論

（1）從原料的化學(xué)成分及硬度對比可以看出，原料化學(xué)成分對預(yù)精焊生產(chǎn)的鋼管內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度有一定的影響。

（2）坡口角度及鈍邊尺寸對降低內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度的效果不明顯，但焊縫形貌的改變有利于改善內(nèi)焊焊縫及HAZ的力學(xué)性能和硬度。

（3）預(yù)精焊兩步法生產(chǎn)時，預(yù)精焊焊接匹配的調(diào)整有利于降低內(nèi)焊焊縫及HAZ的硬度，但效果不是很明顯。由于預(yù)焊焊絲只作為預(yù)精焊兩步法焊接工藝的定位焊，焊縫的最終性能取決于精焊焊縫，結(jié)合彎曲試驗的情況，在實際生產(chǎn)過程中，可以考慮合理采用低匹配組合進行施焊。

（4）焊接工藝對精焊內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度影響比較明顯，在相同焊接條件下，外焊焊接后，內(nèi)焊焊縫的硬度平均增加了20 HV10。內(nèi)外焊同時焊接時，外焊焊縫對內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度的影響也比較明顯。

（5）提高焊接速度有利于解決精焊內(nèi)焊焊縫及HAZ硬度超標(biāo)的問題，內(nèi)外焊同時焊接時，改變焊接參數(shù)，提高焊接速度可以很大程度上解決精焊半個螺距對外焊焊接的影響。提高焊接速度有利于焊縫的快速冷卻，也有利于降低內(nèi)焊焊縫及HAZ的硬度。

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Research on Spiral Two-steps Welding Inside Weld and HAZ Hardness Test

WANG Xingshan,GOU Shifeng,WANG Gang,YAN Long,WANG Xiaodong,MA Zhaohui,ZHANG Jianglei,HU Xubo
（Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China）

Aiming at the hardness exceeding standard problems occasionally occur in inside weld and HAZ during spiral submerged arc two-steps welding production,taking X80M line pipe production as example,it studied the influence of parameter variation on inside weld and HAZ hardness through several adjustment tests,such as welding groove,matching parameter,welding parameters,welding process and so on.The results indicated that in the production process of X80M line pipe,adjusting welding parameters and welding process can effectively reduce the hardness of weld and HAZ to a certain degree,thus to ensure the mechanical properties of two-steps welding steel pipe.

welded pipe;spiral two-steps welding;welding speed;hardness;inside weld； HAZ

TG115.5

A

1001－3938（2015）12-0033-07

王興山（1982—），男，焊接工程師，現(xiàn)主要從事螺旋焊管焊接工藝研究及技術(shù)工作。

2015-04-20

修改稿收稿日期：2015-07-27

謝淑霞