大壁厚焊管预热四丝埋弧焊工艺研究

赵 波， 王 涛， 杨玮玮， 赵与越， 侯树林， 孙 奇

（1. 中国石油集团渤海石油装备制造有限公司， 河北 青县062658；2. 中国石油技术开发公司， 北京100009）

目前， 油气输送用管线管焊接生产所使用的最主要焊接工艺方法为多丝埋弧焊， 由于常规多丝埋弧焊焊接线能量大及熔池过热度大， 容易导致焊缝和粗晶区晶粒粗化、 低温冲击韧性降低。另外， 随着近些年大输量、 大直径、 高钢级、 大壁厚油气焊管的设计及大批量生产应用， 高钢级、 大壁厚成为一个新的发展趋势， 常规多丝埋弧焊工艺呈现出焊接速度逐渐降低、 焊接线能量逐渐增大的趋势。 对于焊管制造企业， 首先要保证焊管焊接接头的各项力学性能， 另一方面也需要考虑提高焊接生产效率、 降低焊接生产成本的问题。 为了提高大壁厚焊管焊接速度， 改善焊缝及热影响区的组织性能， 本研究采用熔敷速度快、 焊接线能量较低的大干伸长预热焊丝多丝埋弧焊接工艺进行了焊接试验研究。

1 预热焊丝埋弧焊原理

预热焊丝埋弧焊是通过加大焊丝干伸长， 利用焊接电流在大干伸长焊丝中产生的电阻热将焊丝加热到较高温度， 对焊丝预热， 然后再将焊丝送入电弧区域， 从而提高单位电流焊丝熔化速度的焊接方法， 其原理如图1 所示。 该工艺不需要附加焊丝预热电源， 只需要对原有的埋弧焊枪进行改造， 将焊丝干伸长从正常工艺约25～35 mm增大到60～120 mm， 就可实现大干伸长埋弧焊工艺。

图1 焊丝大干伸长埋弧焊工艺原理示意图

根据楞次焦耳定律， 当焊接电流通过焊丝时， 焊丝上产生的电阻热为

式中： Q——通电长度焊丝产生的电阻热， J；

I——焊接电流， A；

R——焊丝的电阻， Ω；

ρ——电阻率， Ω·mm；

L——焊丝通电长度， mm；

A——焊丝通电截面积， mm2；

t——通电时间。

从公式 （1） 可以看出， 增加焊丝通电长度即干伸长， 可以增大焊丝电阻热。 当焊丝干伸长大幅度增加后， 焊接电流在焊丝上产生的电阻热会显著增加， 这部分电阻热使焊丝得到充分预热， 提高单位电流焊丝熔化量， 加快焊丝熔化速度。

2 预热焊丝埋弧焊工艺特点

普通埋弧焊的能量来源主要是焊接电源提供的电能转换成的电弧热能， 其热量的分配大致是焊丝得到28%， 母材得到54%， 焊剂得到18%。 当焊接电流通过大干伸长的焊丝时，由于导电嘴伸出部分焊丝电阻显著加大， 产生较大电压降， 而且焊接电流越大， 电压降越大， 电压降通常达到2～7 V。 因此， 可以产生很显著的电阻热， 焊丝上的电阻热占焊接回路提供电能的l2%～18%， 电阻热几乎都是用于加热焊丝的， 这时焊接回路的电能产生的热量在焊丝、 焊剂、 母材的分配就发生了变化。 焊丝获得热能显著增加， 母材获得到的热能则会减少。

为了验证大干伸长预热焊丝焊接工艺焊丝熔化速度的实际效果， 本研究采用Φ4 mm 焊丝30 mm 正常干伸长和120 mm 大干伸长进行500～900 A 系列交流焊接电流—焊丝熔化速度对比统计试验， 试验数据见表1 和表2。 由表1 可以看出， Φ4 mm 焊丝30 mm 干伸长的单位电流焊丝熔化速度平均为0.21 g/A·min； 由表2 可以看出， Φ4 mm 焊丝120 mm 干伸长的单位电流焊丝熔化速度平均为0.38 g/A·min。 经过数据统计对比计算， Φ4 mm 焊丝120 mm 干伸长的单位电流焊丝熔化速度平均比30 mm 干伸长提高了81%。 因此可以看出， 大干伸长焊接工艺具有高熔化速度、 低焊接线能量的工艺特点。

表1 Φ4 mm 焊丝30 mm 干伸长埋弧焊接参数及熔化速度

表2 Φ4 mm 焊丝120 mm 大干伸长埋弧焊接参数及熔化速度

3 预热四丝埋弧焊对比试验

经过前期试验发现， 在同样焊接电流条件下， 大干伸长预热焊丝埋弧焊接工艺具有焊丝熔化量大、 熔深偏小的特点。 所以在厚壁钢板多丝埋弧焊试验中， 为了保证熔深， 1#焊丝仍然采用Φ4 mm 规格30 mm 正常干伸长、 大电流、 低电压的常规焊接参数， 2#～4#焊丝采用120 mm 大干伸长预热焊丝工艺， 如图2 所示。

图2 大干伸长预热四丝埋弧焊照片

为了验证大干伸长预热焊丝焊接工艺在直缝焊管多丝埋弧焊中应用的实际效果， 设计了X80钢级、 38.5 mm 壁厚焊接试板的Φ4 mm 焊丝30 mm 正常干伸长和大干伸长预热焊丝四丝埋弧焊接工艺对比试验。 本研究两种焊接工艺采用相同成分的某钢厂38.5 mm 壁厚的钢板母材、 H08C焊丝、 SJ102 焊剂和相同的坡口形状和尺寸。 焊后分别对两种焊接工艺的试板进行了X 光拍片和超声波手探， 均未发现缺陷。 其中， 钢板母材的化学成分见表3， 常规四丝埋弧焊工艺参数和焊缝熔敷金属成分见表4、 表5； 大干伸长预热四丝埋弧焊工艺参数和焊缝熔敷金属成分见表6、 表7。 两种焊接工艺形成的焊缝宏观形貌如图3 所示。

由表4、 表6 可以看出， X80 钢级38.5 mm壁厚试板采用焊丝大干伸长焊接工艺后， 内、 外焊速度分别比常规四丝焊提高61.1%和64.7%，内、 外焊缝焊接线能量分别降低到常规四丝焊的70.4%和79.3%。

从图3 焊缝宏观金相对比可以明显看出， 大干伸长预热四丝埋弧焊工艺中母材的熔化量明显减少， 焊缝熔合比显著降低， 热影响区宽度相对减小。

表3 X80 钢母材化学成分 %

表4 X80 钢级38.5 mm 壁厚试板常规四丝埋弧焊接工艺参数

表5 常规四丝焊缝熔敷金属化学成分 %

表6 X80 钢级38.5 mm 壁厚试板大干伸长四丝埋弧焊接工艺参数

表7 预热四丝焊缝熔敷金属化学成分 %

图3 两种焊接工艺焊缝宏观形貌

从两种焊接工艺的焊接试板上分别取金相试样， 利用金相显微镜对焊缝和热影响区组织进行了对比， 对比结果如图4 所示。 从图4 可以看出， 预热四丝埋弧焊工艺与常规四丝埋弧焊工艺的焊缝和热影响区粗晶区的金相组织差别不大。

图4 两种焊接工艺焊缝及热影响区金相组织

按照API SPEC 5L 《管线钢管规范》 进行了焊接接头拉伸试验和夏比冲击试验。 表8 为两种焊接工艺焊缝、 热影响区的冲击韧性和焊接接头抗拉强度对比结果。 《西气东输四线天然气管道工程技术规范 第4 部分： X80 级直缝埋弧焊管技术条件》 中规定的焊缝及热影响区-10 ℃夏比冲击韧性单值≥60 J、 均值≥80 J。 从表8 数据可以看出， 在-10 ℃冲击对比试验中， 预热四丝埋弧焊工艺的内焊缝、 重叠区、 外焊缝的冲击功平均值分别为162 J、 155 J 和130 J， 内焊缝、 重叠区、 外焊缝冲击功平均值分别为217 J、 311 J和285 J， 焊接接头抗拉强度为675 MPa； 常规四丝埋弧焊工艺的内焊缝、 重叠区、 外焊缝冲击功平均值分别为165 J、 147 J 和179 J， 内焊缝、 重叠区、 外焊缝冲击功平均值分别为322 J、 368 J 和362 J， 焊接接头抗拉强度为690 MPa。 整体来看， 两种工艺的焊缝冲击功平均值、 焊接接头抗拉强度都很接近， 但是预热四丝埋弧焊工艺的热影响区冲击功平均值明显低于常规四丝埋弧焊工艺。 分析认为主要是因为预热四丝埋弧焊工艺的焊接线能量比常规四丝埋弧焊工艺降低了14%～20%， 虽然其热影响区晶粒有所细化， 理论上其热影响区冲击性能应该优于常规四丝埋弧焊工艺， 但是其熔合线斜率显著大于常规四丝埋弧焊工艺， 并且现有的冲击试验取样方法会影响热影响区的冲击数据。 建议通过依次适当加大预热四丝埋弧焊工艺中2#～4#焊丝的焊接电压， 调整焊缝熔合线的斜率， 适当改善该工艺的焊缝热影响区冲击韧性。

表8 低温冲击韧性和抗拉强度对比结果

4 结束语

在本次X80 钢级38.5 mm 壁厚管线钢板的焊接对比试验中， 大干伸长预热四丝埋弧焊工艺比常规四丝埋弧焊工艺的焊接速度提高了60%～65%。 常规四丝埋弧焊工艺焊缝、 热影响区-10 ℃冲击功平均值分别为163 J 和350 J； 预热四丝埋弧焊工艺焊缝、 热影响区-10 ℃冲击功平均值分别为149 J、 271 J， 比常规四丝埋弧焊工艺分别降低了14 J 和79 J， 但远远优于 《西气东输四线天然气管道工程技术规范 第4 部分：X80 级直缝埋弧焊管技术条件》 中的要求（焊缝及热影响区-10 ℃夏比冲击韧性单值≥60 J、 均值≥80 J）， 两种焊接工艺的焊接接头抗拉强度基本相当。 根据本次焊接对比试验数据来看， 初步认为大干伸长预热四丝埋弧焊工艺可以满足相关焊管技术条件中产品的力学性能指标。