螺旋埋弧焊管預(yù)精焊預(yù)焊氣孔成因及解決措施

劉 明，胡德虎

（1.中油寶世順（秦皇島）鋼管有限公司，河北 秦皇島 066206；2.寶雞石油輸送管有限公司，陜西 寶雞 721008）

0 前 言

螺旋埋弧預(yù)精焊焊管機組[1]將鋼管的成型和焊接分為兩道工序，其中，成型機采用高速成型的方式，在成型過程中用氣體保護焊工藝將鋼管合縫處定位焊接，然后將鋼管定尺切斷，下線后運輸?shù)骄笝C組[2]進行內(nèi)外完整埋弧焊接。預(yù)精焊工藝將成型和焊接分開進行，實現(xiàn)了高速成型（預(yù)焊速度3～12 m/min）、低速焊接（埋弧焊接速度1.0～1.5 m/min）的工藝匹配，避免了應(yīng)力對焊縫成形的影響，保證了焊縫質(zhì)量；其次，由于一條預(yù)焊機組可匹配多條精焊機組，因此生產(chǎn)線的綜合產(chǎn)能可以達到普通螺旋埋弧焊管機組的3～4 倍。近年來，螺旋埋弧焊管預(yù)精焊廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外油氣輸送管生產(chǎn)中，比如荷蘭NORGON、印度GAIL、西氣東輸三、四線、中俄東線等管道工程用管。

由于螺旋埋弧焊管預(yù)焊機組采用高速MAG焊焊接工藝，具有焊接電流大（焊接電流通常為480～750 A）、焊絲粗（焊絲直徑2.4 mm 或3.2 mm）、焊接速度快和熔敷率高等優(yōu)點，滿足高速焊接的條件。但同時也存在焊接工藝控制復(fù)雜、容易產(chǎn)生焊接缺陷等問題，特別是預(yù)焊焊縫氣孔缺陷，對精焊埋弧焊影響較大，會使內(nèi)焊縫根部產(chǎn)生夾渣等缺陷，影響鋼管質(zhì)量。因此，本研究針對預(yù)焊焊縫氣孔問題，完善了預(yù)焊工藝控制措施，以期提升螺旋預(yù)精焊鋼管產(chǎn)品質(zhì)量。

1 預(yù)焊工藝及氣孔缺陷成因

中國石油寶世順石油鋼管公司螺旋埋弧焊管生產(chǎn)線采用后擺式預(yù)精焊機組，預(yù)焊采用高速MAG 焊在成型管坯內(nèi)進行連續(xù)焊接。預(yù)焊焊接設(shè)備由焊接電源林肯DC-1000 焊機、NA-5 控制系統(tǒng)、送絲裝置、高速空冷MAG 焊槍、保護氣體供給系統(tǒng)、電弧監(jiān)控跟蹤系統(tǒng)、焊槍夾持及移動滑板機構(gòu)組成[3]。螺旋埋弧焊管預(yù)焊焊縫及截面如圖1所示。

圖1 螺旋埋弧焊管預(yù)焊焊縫及截面形貌

在螺旋埋弧焊管預(yù)焊過程中，由于焊接速度較快，導(dǎo)致焊縫金屬冷卻快，飛濺堆積造成保護氣流紊亂，以及螺旋成型輥擠壓鋼板產(chǎn)生的氧化鐵粉末堆積等，使焊接過程中預(yù)焊焊縫處易產(chǎn)生氣孔缺陷，影響后續(xù)焊接質(zhì)量和效率[4-6]，嚴(yán)重時，預(yù)焊焊縫處產(chǎn)生的連續(xù)氣孔缺陷會導(dǎo)致鋼管降級和生產(chǎn)線停車。因此預(yù)防氣孔缺陷的產(chǎn)生是預(yù)精焊制管生產(chǎn)的關(guān)鍵[7-8]。典形螺旋埋弧焊管預(yù)焊焊縫氣孔缺陷如圖2 所示。

圖2 典形螺旋埋弧焊管預(yù)焊焊縫氣孔缺陷

2 預(yù)焊焊縫氣孔產(chǎn)生原因分析

螺旋埋弧焊管預(yù)焊在鋼管內(nèi)部6 點鐘位置，成型合縫后立即進行焊接，其焊點位置和焊槍參數(shù)與一步法內(nèi)焊直流工藝基本一致，易受成型合縫狀態(tài)影響，焊接條件惡劣。預(yù)焊保護氣內(nèi)混入空氣、坡口兩側(cè)鐵銹堆積、熔池保護氣體比例及流量、成型時坡口間隙等均是影響螺旋埋弧焊管預(yù)焊氣孔形成的重要因素，因此在生產(chǎn)過程中，預(yù)焊時首先要考慮外部氣流防護[9]、成型縫坡口合縫質(zhì)量、保護氣體比例、流量的影響。

預(yù)焊氣孔主要包括一氧化碳?xì)饪?、氮氣孔、氫氣孔，形貌如圖3 所示，圖3（a）為一氧化碳?xì)饪祝@種氣孔常出現(xiàn)在焊縫根部與表面，且呈“長蟲”形狀[10]；圖3（b）為氮氣孔，通常在焊縫表面出現(xiàn)蜂窩狀氣孔，或者以彌散形式的微氣孔分布于焊縫金屬中；圖3 （c）為典形氫氣孔，氫氣孔呈“圓球”狀，位于焊縫中間或者表層。

圖3 預(yù)焊縫一氧化碳?xì)饪住⒌獨饪缀蜌錃饪仔蚊?/p>

2.1 空氣混入預(yù)焊保護氣

在鋼管定尺切割過程中，由于采用大電流等離子切割工藝，在切割鋼管時，鋼管內(nèi)部會產(chǎn)生大量的煙塵，為盡快清理并回收煙塵，通常會從遠端向管內(nèi)吹高壓風(fēng)，同時在成型器開口處安裝護罩收集煙塵，裝置如圖4所示。這種方式簡單高效，但如果遠端高壓風(fēng)出口位置不正確，氣流在管內(nèi)流動過程中，會吹向預(yù)焊焊接區(qū)域形成側(cè)向風(fēng)，侵入熔池[11]使保護氣體紊亂從而失去保護作用，空氣中的氮、氧、水蒸氣將直接與電弧和熔化金屬接觸，不僅破壞了電弧的穩(wěn)定性，而且由于氧化、氮化和氫的作用，將在焊縫處產(chǎn)生缺陷，如氧化物與氮化物夾渣、氣孔、裂紋和焊縫不規(guī)則等。

圖4 除塵裝置高壓風(fēng)出口

2.2 氧化鐵銹在成型坡口聚集

螺旋埋弧焊管采用三輥彎板卷曲成型，鋼板內(nèi)表面承受2#輥的壓應(yīng)力，外表面承受1#、3#及外控輥的擠壓應(yīng)力。在成型過程中，鋼板表面的氧化皮及銹蝕會剝離脫落，同時大量氧化皮堆積在成型縫合口位置后進入焊接區(qū)域，如圖5 所示。

圖5 鋼帶內(nèi)表面氧化鐵皮堆積及影響區(qū)域

此外，2#梁成型輥擠壓鋼板變形過程中產(chǎn)生的大量氧化鐵皮隨鋼板移動向坡口區(qū)域堆積，由于焊接時坡口邊緣區(qū)域存在磁場，因此該處聚集的氧化鐵皮很難清理。焊接熔池中的FeO 和C發(fā)生還原反應(yīng)：FeO+C→Fe+CO，且在熔池處于結(jié)晶溫度時反應(yīng)比較劇烈，當(dāng)熔池金屬冷凝速度較快時，生成的CO 氣體未完全從熔池內(nèi)部逸出從而產(chǎn)生氣孔。

2.3 保護氣體中CO2比例過小

螺旋埋弧焊管預(yù)焊采用高速MAG 焊，因電流大、焊絲粗、熔敷率高，其熔滴過渡呈穩(wěn)定的噴射過渡，為了減少飛濺，確保焊縫成形良好，選擇“富”氬保護氣體，氣體成分為80% Ar+20% CO2。由于CO2和氬氣通過單獨管路進入配比器混配，然后進入焊槍，氣體壓力為0.3 MPa，氣體流速為70～120 L/min。為防止CO2氣體溫度過低導(dǎo)致氣體流速降低，在CO2氣體進入配比器的管路中間加裝加熱器。加熱器故障或加熱效果不佳、停車時間較長，根據(jù)冷空氣下沉、熱空氣上升的原理，將氣罐中的混合氣分為上下兩部分，其中上部分混合氣體中的CO2比例降低，導(dǎo)致熔池氧化性降低、冶金作用減弱，從而會在焊接過程中產(chǎn)生電弧不穩(wěn)定和焊縫成形不良等問題，同時產(chǎn)生氫氣孔。

3 預(yù)焊焊縫氣孔缺陷控制措施

在螺旋埋弧焊管預(yù)焊生產(chǎn)過程中，受制于螺旋管成型方式、預(yù)焊焊接工藝、焊接環(huán)境等客觀因素，焊材使用不當(dāng)、預(yù)焊坡口區(qū)域不干凈、外部氣流過大、保護氣體比例流量不均勻等均會導(dǎo)致預(yù)焊縫出現(xiàn)一氧化碳?xì)饪?、氮氣孔和氫氣孔中的一種或多種，造成埋弧焊接缺陷。因此，控制預(yù)焊縫氣孔是保證埋弧焊縫質(zhì)量的前提，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，可重點從以下幾個方面控制。

（1）預(yù)焊焊絲選用的是高Si/Mn 元素牌號，提高熔池脫氧性。根據(jù)實際的生產(chǎn)經(jīng)驗，焊絲 中w（Mn）=1.4%～1.8%，w（Si）=0.5%～0.8%時，此時一氧化碳?xì)饪壮霈F(xiàn)幾率最低[12]。

（2）當(dāng)坡口間隙大時，空氣會從外坡口側(cè)進入熔池根部，在焊縫根部會形成連續(xù)氣孔，但焊縫外部不易觀察到氣孔。因此，預(yù)焊成型合口應(yīng)采用“內(nèi)緊外松”方式，坡口間隙＜0.3 mm[13]，此時，在預(yù)焊焊接過程中，空氣不會通過坡口間隙進入保護氣覆蓋區(qū)域。

（3）大量試驗表明，當(dāng)管徑＞711 mm 時，吹風(fēng)口距離鋼管內(nèi)壁12點位置100～200 mm，高壓風(fēng)基本不影響預(yù)焊焊接；當(dāng)管徑＜711 mm時，應(yīng)停用高壓風(fēng)或改用火焰切割鋼管。因此，應(yīng)嚴(yán)格控制鋼管等離子切割煙塵吹風(fēng)口高度。

（4）控制CO2和氬氣保護氣體比例流量。多次試驗表明，Ar 氣比例在75%～85%、CO 比例在15%～25%時，預(yù)焊焊接穩(wěn)定，飛濺量小，以規(guī)格為Φ1 016 mm×17.5 mm鋼管為例，使用大電流空冷，預(yù)焊槍可連續(xù)生產(chǎn)3 h 以上不用停車清渣。保護氣流量需根據(jù)焊接速度進行調(diào)整，根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，當(dāng)預(yù)焊速度在3.0～4.0 m/min、保護氣體流量為70～100 L/min以及預(yù)焊速度在4.0～6.0 m/min、保護氣流量100～120 L/min 時，保護氣體均能很好的保護熔池，同時需每1～2 h檢查一次CO2加熱器工作狀態(tài)，此時的氫氣孔的發(fā)生概率很低[14]。

（5）清除內(nèi)壁氧化皮，保持坡口和焊接區(qū)域干凈。在成型合縫入口處采用高壓風(fēng)吹掃鋼板表面浮銹，板邊使用棉布擦拭和高壓風(fēng)吹掃坡口的形式清理氧化鐵皮的效果最好，而且不影響工人操作，成本較低[15]。設(shè)備安裝位置如圖6 所示。

圖6 成型入口處采用高壓風(fēng)吹掃鋼板表面

4 結(jié) 論

（1）選擇高Si/Mn 元素含量預(yù)焊焊絲，提高熔池脫氧性，可減少一氧化碳?xì)饪壮霈F(xiàn)的幾率。

（2）預(yù)焊成型合縫采用“內(nèi)緊外松”方式，坡口間隙＜0.3 mm，可避免焊縫根部因保護氣體無法完全覆蓋而導(dǎo)致空氣進入熔池產(chǎn)生氣孔缺陷。

（3）嚴(yán)格控制鋼管內(nèi)部等離子切割煙塵吹風(fēng)口高度，避免外部較高的風(fēng)速對焊接區(qū)域保護氣體的影響。

（4）通過控制保護氣體比例和流量，保持電弧持續(xù)穩(wěn)定，可避免預(yù)焊縫中產(chǎn)生氣孔。