低温环境用管材脉冲MAG焊焊接工艺的研究

2020-11-26朱忠强王成章胡顺

石油和化工设备 2020年11期

朱忠强，王成章，胡顺

（中石化四机石油机械有限公司，湖北荆州 434024）

北极、亚北极地区拥有丰富的油气资源，世界各国争相开采。但该区域自然环境极其恶劣，平均气温在-20～-40℃。若要参与该区域的油气开发，必须形成一套适应于极地冷海环境的钻井关键装备与技术。

材质为Q460NE，壁厚（通常25-40mm）的低合金高强度管材越来越多地应用于石油钻井设备中。为了保证其焊缝的力学性能，特别是低温冲击韧性，必须要保证全焊透。因此所开坡口尺寸一般要求超过23mm×45°。由于坡口较大，采用传统的半自动CO2气体保护焊或者MAG焊，焊接一条圆周焊缝至少需要3.5h，生产效率极低。为弥补这一劣势，我厂引进了一台全自动脉冲MAG焊机。该焊机具有自动化程度高、熔覆好、焊接效率高、焊缝成型优良等优点，可大大提高低温管材的焊接生产效率。然而，用何种焊接参数才能焊接出没有任何焊接缺陷，外观质量良好且完全满足AWS D1.1/D1.1M对焊缝力学性能，特别是低温冲击韧性要求的焊缝，尚未进行过研究。

因此我厂制定了一组焊接工艺参数，用这一组焊接参数来焊接一组管—管单边V型对接坡口焊缝，并通过磁粉探伤和超声波探伤检测该对接焊缝的完好性，然后在探伤合格的焊接试样上制取拉伸试样、弯曲试样和冲击试样并进行相应的力学性能试验，验证所拟定的工艺参数是否合理。

1 焊接工艺的拟定

为了满足极地低温环境下的使用要求，将Q460NE的使用温度定在-50℃。为此选用京雷GMR-55Ni2低温实心焊丝来改善Q460NE管材焊后-50℃的低温冲击韧性。Q460NE和京雷GMR-55Ni2低温实心焊丝的主要化学成分如表1所示。

焊接电流对焊接质量和焊接生产效率的影响较大。焊接电流主要影响熔深大小。电流越大，熔深越大。但电流过小，电弧不稳定，易造成未焊透和夹渣等缺陷。电流过大，则焊缝容易产生咬边和烧穿等缺陷，同时引起飞溅。而焊接缺陷的出现将会影响焊缝的力学性能，特别是低温冲击韧性。

弧焊电压是由弧长决定的，电弧长，电弧电压高；电弧短，则电弧电压低。电弧电压的大小主要影响焊缝的熔宽，电压越大，熔宽越大。焊接过程中电弧不宜过长，否则，电弧燃烧不稳定，增加金属的飞溅，而且由于空气的侵入，使焊缝产生气孔。

焊接速度的大小直接关系到焊接生产效率。为了提高焊接生产效率，可在保证焊缝质量的前提下，适当提高焊接电流。同时还应按照具体情况适当调整焊接速度，尽量保证焊缝高低和宽窄一致。

一般按照以往经验和焊机制造商推荐来选择焊接电流、电压和焊接速度。结合以往的经验和焊机制造商的推荐参数，焊接电流、电压和焊接速度的选择如表2所示。

表1 京雷GMR-55Ni2实心焊丝和Q460NE主要化学成分

表2 焊接参数的选择

因98%Ar+2%CO2混合气体，既具有Ar弧电弧稳定性高、飞溅小、容易获得轴向喷射过渡的优点，又具有一定的氧化性，能克服氩气焊接时表面张力大、液体金属黏稠、阴极斑点易飘移等问题，还能对焊缝的熔深有所改善。因此选用98%Ar+2%CO2混合气体作为保护气体。气体流量设置为24L/min。

焊接母材选用φ219×35mm/Q460NE管材进行焊接。为防止焊后开裂，焊前需预热，预热温度选择120℃。

2 力学性能试验

用拟定的焊接工艺参数焊出的焊缝，不仅外观质量高，而且焊接试验表明脉冲MAG焊机的熔覆能力强，焊接效率较高。焊接坡口尺寸为32mm×45°、焊缝长度约为62cm的焊缝仅需要37分钟即可完成，大大提高了焊接生产效率。

通过超声波探伤和磁粉探伤检查焊接试管，需经过机加工制取力学性能实验试样。

2.1 拉伸试验

拉伸试验用于检测焊缝的抗拉强度是否合格。一组焊接试管要制取两个拉伸试样并分别进行横向拉伸试验。拉伸试验评定合格的依据为：抗拉强度必须大于所用母材规定的抗拉强度的最低值。由表3数据可以看到，两拉伸试样的抗拉强度分别为580MPa和610MPa，符合母材规定最低抗拉强度540MPa（母材规定的抗拉强度参考GB/T 1591-2018）。因此拉伸试验是合格的。

表3 拉伸试验结果

2.2 弯曲试验

弯曲试验用于检测焊缝的延展性是否合格。一个焊接试管需制取4个侧弯试样并分别进行侧弯试验。

弯曲试验判定合格的依据为AWS D1.1/D1.1M第4.9.3.3条：(1)表面任何方向不连续的长度不超过3mm；(2)所有不连续尺寸超过1mm，但不大于3mm的缺陷的尺寸总和不超过10mm；(3)角部裂纹不超过6mm，但如果角部裂纹由可见夹渣或其他融化型不连续所致，则裂纹不得超过3mm；角部裂纹超过6mm而无夹渣或其他融化型不连续的试样必须废弃，并必须从原焊件上另取试样重作弯曲试验。由图1可以看到，弯曲试样经180°弯曲后表面无裂纹产生，因此弯曲试验合格。

图1 经180°弯曲后的弯曲试样

2.3 冲击试验

冲击试验用于检测焊缝的低温冲击韧性是否合格，因为极地气温极低，因此决定在-50℃下做低温冲击试验，而非-40℃下做低温冲击试验。因为根据以往经验，E级材料的焊接试样在规定的-40℃下做低温冲击试验时，所得冲击值比实际要求的最小平均冲击功值31J高出不少，而且GB/T 1591-2018标准规定E级材料可以在-50℃做冲击。因此我们推测-50℃的低温冲击试验应该也能符合要求。冲击试样的尺寸为10mm×10mm×55mm。冲击试样开夏比V型坡口，坡口位置三个，分别为焊缝中心、熔合线+1mm和熔合线+5mm。且每个位置都要求有3个冲击试样。因此共需制取9个冲击试样。

冲击试验判定合格的依据为AWS D1.1/D1.1M第4.28.2条：(1)任何单一试样的值不低于母材最小冲击功；(2)3个试样的算术平均值必须不小于母材的最小平均冲击功。

由表4可以看到，无论是焊缝中心处、融合线+1mm处和熔合线+5mm处，所处位置的3个冲击试样的单个冲击值和平均冲击功值都满足要求，因此，冲击试验合格。