X80管線鋼自保護藥芯焊絲自動焊工藝試驗研究*

王長江，曾惠林，楊雪梅，蔣 戎，劉 然

（1．中國石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北 廊坊 065000；2．廊坊東方職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 廊坊 065001；3．中國石油天然氣管道局設(shè)備管理中心，河北 廊坊 065001）

0 前 言

隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展及管道施工水平的不斷提高，高鋼級、大直徑鋼管在天然氣長輸管道施工建設(shè)中舉足輕重[1-5]，X80級φ1 219 mm 鋼質(zhì)管道自應(yīng)用于西氣東輸二線管道工程建設(shè)之后，又被應(yīng)用于西氣東輸三線管道工程建設(shè)。

自保護藥芯焊絲具有優(yōu)異的全位置操作性與焊接工藝性，其抗風(fēng)能力強、電弧指向性好、與母材熔合較好、裂紋傾向小、焊接操作窗口寬、易脫渣、無需氣體保護、經(jīng)濟性好等諸多優(yōu)點在其半自動焊工藝中得到不同程度的發(fā)揮，被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外管道工程建設(shè)中[6-11]。

為提高高鋼級、大直徑管道焊接技術(shù)水平，克服自保護藥芯焊絲半自動焊人為因素影響大、焊工勞動強度高、焊接效率較低等不足，探尋自保護藥芯焊絲自動焊技術(shù)用于西氣東輸三線及未來管道工程建設(shè)現(xiàn)場焊接的可能性，應(yīng)用自主研發(fā)的八焊炬管道內(nèi)焊機及自保護藥芯焊絲自動焊機進行X80鋼質(zhì)管道全位置焊接試驗，制定合理的自保護藥芯焊絲自動焊工藝，以指導(dǎo)高鋼級、大直徑管道的現(xiàn)場焊接施工。

1 試驗設(shè)備及材料

1.1 試驗設(shè)備

1.1.1 根焊設(shè)備

X80鋼管全位置焊接試驗的根焊設(shè)備為自主研發(fā)的八焊炬內(nèi)焊機。整機采用臥式長構(gòu)架結(jié)構(gòu)，主要由擴漲導(dǎo)向保護裝置、焊炬定位對中機構(gòu)、漲緊機構(gòu)、同步焊接驅(qū)動機構(gòu)、專用焊接單元、行走機構(gòu)、機架和儲氣罐等組成。八焊炬內(nèi)焊機如圖1所示。

1.1.2 外焊試驗設(shè)備

X80鋼管全位置焊接試驗的外焊設(shè)備為自主研發(fā)的自保護藥芯焊絲自動焊機，用于完成管道環(huán)焊縫的熱焊、填充焊和蓋面焊。該焊機主要由焊接小車、導(dǎo)向軌道、自動控制系統(tǒng)及焊接電源等組成。自保護藥芯焊絲自動焊機如圖2所示。

圖1 八焊炬內(nèi)焊機

圖2 自保護藥芯焊絲自動焊機

1.2 試驗管材

本試驗采用西氣東輸三線管道工程用X80級φ1 219 mm×18.4 mm管線鋼管，其化學(xué)成分與裂紋敏感系數(shù)Pcm見表1。

表1 X80管線鋼化學(xué)成分及裂紋敏感系數(shù) %

1.3 試驗焊絲

根焊采用BOHLER SG3-P φ0.9 mm實芯焊絲，外焊選用Hobart 81N1+φ2.0 mm自保護藥芯焊絲。

2 工藝試驗研究

2.1 焊接方式

將管道外環(huán)縫平均分為24段，每把焊槍獨立完成其中的12段，自動控制系統(tǒng)在焊接過程中對焊點分布值進行實時監(jiān)控，并經(jīng)過分段插值計算實時調(diào)整焊接速度，以確保各焊接段焊接參數(shù)的準確性。管道全位置焊接方式如圖3所示。

焊接時，首先由八焊炬內(nèi)焊機完成管道內(nèi)環(huán)縫的根焊，即焊接單元1、單元2、單元3和單元4同時起弧，沿管道左側(cè)的內(nèi)環(huán)縫下向焊接，如圖3（a）所示。每個焊接單元負責焊接45°中心角對應(yīng)的圓弧長度，焊到相應(yīng)位置時，焊接單元熄弧，停止焊接，此時各個焊接單元所處位置如圖3（b）所示。同時，焊接單元5、單元6、單元7和單元8同時起弧，沿管道右側(cè)的內(nèi)環(huán)縫下向焊接，焊到相應(yīng)位置時，焊接單元熄弧，停止焊接，如圖3（b）所示。此時，管道環(huán)焊縫根焊完成，8個焊接單元重新回到初始位置。

圖3 管道全位置焊接方式示意圖

根焊結(jié)束后，由自保護藥芯焊絲自動焊機完成管道外環(huán)縫的熱焊、填充焊、蓋面焊等焊接工序。兩臺焊接小車帶動焊槍分別從兩側(cè)獨立完成半圈管道環(huán)縫的焊接，即首先由一臺焊接小車從12點位置起弧，沿環(huán)縫的一側(cè)向6點位置焊接，待其離開12點位置后，另一臺焊接小車隨即移至12點位置并立刻起弧，沿環(huán)縫的另一側(cè)焊向6點位置，如圖3（c）所示。在確保兩臺焊接小車空間不干擾的狀態(tài)下，保持起弧過程的最小時間差，以保證焊接過程中焊縫兩側(cè)應(yīng)力對稱。每層焊接完成后，焊接小車返回12點位置，開始下一層的焊接。

2.2 坡口形式及參數(shù)

自保護藥芯焊絲自動焊工藝所用坡口為U形，其形狀及尺寸如圖4所示。

圖4 U形坡口形狀及尺寸

U形坡口參數(shù)：坡口與圓弧相切，角度A=8°±1°， 內(nèi)坡口角度 B=37.5°， 高度 h=（1.25±0.15）mm，圓弧半徑 R=3.2 mm，鈍邊長度 e=（1.5±0.15）mm， 管口組對錯邊量 c≤1.5 mm，管道無間隙組對坡口寬度 W=（9.5±0.5）mm。

2.3 焊接要求

（1）相鄰管制管焊縫在對口處錯開，距離≥100 mm；

（2）預(yù)熱溫度 100～200 ℃；

（3）加熱寬度：坡口兩側(cè)各50 mm；

（4）層間溫度 60～150 ℃；

（5）管內(nèi)外表面坡口兩側(cè)25 mm范圍內(nèi)應(yīng)在焊前清理至呈現(xiàn)金屬光澤；

（6）根焊結(jié)束與熱焊開始時間間隔≤10 min；

（7）風(fēng)速≤8 m/s時無需采用保護措施；

（8）焊接過程中需對焊縫進行層間清理及表面處理；

（9）焊縫余高應(yīng)≤2 mm，余高超高時應(yīng)進行打磨，打磨后應(yīng)與母材圓滑過渡，且不得傷及母材；

（10）蓋面焊縫寬度應(yīng)不超過坡口上沿兩側(cè)各2 mm。

2.4 焊接參數(shù)

2.4.1 根焊焊接參數(shù)

用八焊炬內(nèi)焊機進行根焊，焊接電壓為18～20 V；焊接電流為200～220 A；BOHLER SG3-P φ0.9 mm實芯焊絲，送絲速度900～1 000 mm/min；焊接速度700～800 mm/min；保護氣為CO2/Ar=25%/75%（CO2氣體純度≥99.5%，Ar氣體純度≥99.96%）， 氣體流量為 18～20 L/min。

2.4.2 熱焊焊接參數(shù)

自保護藥芯焊絲自動焊機單焊炬排焊，需較大熔深以確保焊縫根部完全熔透。焊接電壓為20～22 V； 焊接電流 180～230 A； Hobart 81N1+φ2.0 mm焊絲，焊絲干伸長15～20 mm；焊接速度400 mm/min；送絲速度1 700 mm/min。

2.4.3 填充焊焊接參數(shù)

自保護藥芯焊絲自動焊機單焊炬擺動焊接，擺動幅度±10 mm，需較大熔深及一定熔寬。焊接電壓 21～24 V；焊接電流 180～230 A；Hobart 81N1+φ2.0 mm焊絲，焊絲干伸長 15～20 mm；焊接速度 125～250 mm/min；送絲速度 1 500～2 390 mm/min； 擺動速度 21～24 mm/min； 擺動寬度5.0～6.5 mm；邊沿停留時間450～550 ms。

2.4.4 蓋面焊焊接參數(shù)

自保護藥芯焊絲自動焊機單焊炬擺動焊接，擺動幅度±10 mm，需控制弧長，確保電弧穩(wěn)定性，避免氣孔、邊緣未熔合、咬邊等缺陷。焊接電壓 20～21 V； 焊接電流 180～230 A； Hobart 81N1+φ 2.0 mm焊絲，焊絲干伸長 15～20 mm；焊接速度 115～210 mm/min；送絲速度 1 250～2 000 mm/min； 擺動速度 23～26 mm/min； 擺動寬度 8.0～10.0 mm； 邊沿停留時間 450～550 ms。

3 焊接接頭性能試驗

3.1 拉伸試驗

取樣位置：12點～1點、5點～6點、6點～7點、9點～10點；試樣規(guī)格：230 mm×18.4 mm×25 mm；試驗設(shè)備：萬能試驗機WAW-1000B；試驗標準：GB/T 228—2002《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》。試驗結(jié)果見表2。試驗結(jié)果表明，焊接接頭的抗拉強度滿足X80管線鋼的焊接要求，斷裂位置位于母材。

表2 X80級 φ1 219 mm×18.4 mm鋼管環(huán)焊縫拉伸試驗結(jié)果

3.2 彎曲試驗

取樣位置：1點～2點、3點～5點、7點～9點、10點～12點；試樣規(guī)格：230 mm×18.4 mm×13 mm；彎芯半徑：90 mm，彎曲角度：180°；試驗設(shè)備：萬能試驗機WAW-1000B；試驗標準：GB/T 232—2010《金屬材料 彎曲試驗方法》。試驗結(jié)果表明，試樣側(cè)彎后試樣表面均未見明顯缺陷，焊接接頭的側(cè)彎性能滿足X80管線鋼的焊接要求，有很好的延展性和致密性。

3.3 沖擊試驗

取樣位置：3點、6點、9點、12點；試樣規(guī)格：10 mm×10 mm×55 mm；缺口類型：V形；試驗設(shè)備：微機式金屬擺錘沖擊試驗機ZBC 2752-C；試驗標準：GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗辦法》。試驗結(jié)果見表3。試驗結(jié)果表明，焊縫及熱影響區(qū)的沖擊功滿足西氣東輸三線關(guān)于焊縫及熱影響區(qū)3個沖擊試驗試樣最小沖擊功≥60 J、平均沖擊功≥80 J的標準規(guī)范要求，焊接接頭具有良好的低溫沖擊韌度。

表3 X80級 φ1 219 mm×18.4 mm鋼管環(huán)焊縫沖擊試驗結(jié)果

3.4 宏觀組織檢驗及硬度試驗

3.4.1 宏觀組織檢驗

取樣位置：6點、9點、12點；試驗類型：5×；試驗設(shè)備：金相顯微鏡XJG-05。檢驗結(jié)果為所有試樣均未見明顯缺陷。

3.4.2 硬度試驗

按照西氣東輸三線X80鋼管焊接技術(shù)規(guī)范要求，焊接接頭硬度測定在宏觀組織檢驗試樣上進行。試驗類型：HV10；試驗標準：GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗》；試驗設(shè)備：布維硬度計HBV-30A。試驗結(jié)果見表4。試驗結(jié)果表明，焊縫及熱影響區(qū)的硬度值滿足西氣東輸三線焊接接頭最大硬度值不超過300 HV10的要求。

表4 X80級φ1 219 mm×18.4 mm鋼管環(huán)焊縫硬度（HV10）試驗結(jié)果

4 結(jié) 論

（1）X80管線鋼自保護藥芯焊絲自動焊工藝的坡口設(shè)計及與之匹配的焊接參數(shù)合理，焊絲選擇恰當，焊接接頭力學(xué)性能滿足相關(guān)標準規(guī)范要求，且工藝制定合理，操作簡單，可實施性強，效率高。

（2）X80管線鋼自保護藥芯焊絲自動焊工藝用于管道工程現(xiàn)場焊接施工是可行的，且對其他鋼級的管道工程現(xiàn)場焊接施工具有參考價值及指導(dǎo)意義。

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