脈沖鎢極氬弧焊技術(shù)在雙金屬?gòu)?fù)合管中的應(yīng)用

王富鐸，梁國(guó)萍，陳 博，邊天軍，李 緣，梁國(guó)棟，王 劍

（1.陜西省金屬?gòu)?fù)合管道工程技術(shù)研究中心，西安 710025；2.西安向陽航天材料股份有限公司，西安 710025）

脈沖鎢極氬弧焊技術(shù)在雙金屬?gòu)?fù)合管中的應(yīng)用

王富鐸1,2，梁國(guó)萍1,2，陳 博1,2，邊天軍1,2，李 緣1,2，梁國(guó)棟1,2，王 劍1,2

（1.陜西省金屬?gòu)?fù)合管道工程技術(shù)研究中心，西安 710025；2.西安向陽航天材料股份有限公司，西安 710025）

為了提高雙金屬?gòu)?fù)合管管端堆焊質(zhì)量，獲得高強(qiáng)度、高塑韌性的焊縫組織，通過分析脈沖鎢極氬弧焊堆焊工藝參數(shù)對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管焊縫成形的影響，制定了相應(yīng)的焊接工藝。焊接工藝試驗(yàn)完成后，按照DNV-OS-F101《海底石油管線》要求進(jìn)行了焊接工藝試驗(yàn)評(píng)定。評(píng)定結(jié)果顯示，無損檢測(cè)Ⅰ級(jí)合格，焊縫與母材未發(fā)現(xiàn)氣孔、顯微裂紋和異常組織，拉伸及彎曲試驗(yàn)合格，堆焊層沖擊功平均值達(dá)到259.4 J，無晶間裂紋。結(jié)果表明，該堆焊工藝在雙金屬?gòu)?fù)合管管端堆焊中可獲得優(yōu)質(zhì)堆焊層，脈沖鎢極氬弧焊工藝可在雙金屬?gòu)?fù)合管管端堆焊領(lǐng)域應(yīng)用。

雙金屬?gòu)?fù)合管；脈沖鎢極氬弧焊；堆焊工藝參數(shù)；焊接工藝評(píng)定

隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，在國(guó)內(nèi)雙金屬?gòu)?fù)合管管道焊接中，逐漸采用脈沖鎢極氬弧焊堆焊方法。脈沖鎢極氬弧焊堆焊技術(shù)具有電弧穩(wěn)定、熱輸入小、便于精確控制電弧能量分布等特點(diǎn)，該技術(shù)采用脈沖式加熱，熔池中金屬高溫停留時(shí)間短，金屬冷凝速度快，可減少熱敏感材料產(chǎn)生裂紋的傾向性。

脈沖鎢極氬弧堆焊工藝已成為一種高效、節(jié)能的復(fù)合管管端堆焊工藝，它在復(fù)合管管端堆焊應(yīng)用中，適合于薄壁管道的焊接，也可以焊接熱敏感性高的金屬材料。脈沖鎢極氬弧焊采用低頻調(diào)制的直流脈沖電流加熱工件，焊接時(shí)通過對(duì)脈沖占空比、脈沖電流大小、脈沖電流頻率的調(diào)節(jié)，達(dá)到控制焊接熱輸入量大小的目的，從而控制焊縫及熱影響區(qū)的尺寸和堆焊質(zhì)量。

1 脈沖鎢極氬弧堆焊工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響

1.1 脈沖電流

脈沖電流是決定焊縫成形尺寸的主要參數(shù)之一。一方面，峰值脈沖電流影響熔滴的過渡形式，采用合理的脈沖峰值、基值電流數(shù)值組合能夠促進(jìn)熔滴過渡，同時(shí)電弧穩(wěn)定性增強(qiáng)；另一方面，由于脈沖電流周期性變化引起的電弧壓力也發(fā)生周期性變化，造成熔池表面液體上下振動(dòng)，有利于氣體逸出，減少氣孔的產(chǎn)生，電流的攪拌作用也使焊縫晶粒得到細(xì)化，降低裂紋敏感性，焊縫力學(xué)性能獲得提高，但是峰值脈沖電流過大，會(huì)使焊接過程不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，基值脈沖電流，它的主要作用是維持電弧燃燒，也提供一個(gè)熔池冷卻凝固條件，使焊件不致燒穿。

1.2 脈沖頻率

脈沖頻率的選擇也是保證焊接質(zhì)量的重要問題，脈沖頻率對(duì)平均電流有著重要的影響，脈沖頻率主要根據(jù)焊接電流來確定，每次脈沖電流通過時(shí)，焊件上就產(chǎn)生一個(gè)點(diǎn)狀熔池。在基值電流期間，點(diǎn)狀熔池不繼續(xù)擴(kuò)大，而且冷凝結(jié)晶，這樣在下次脈沖電流到來時(shí)已存在一部分熔池凝固形成一個(gè)焊點(diǎn)。下一次脈沖電流到來時(shí)，在上一個(gè)凝固焊點(diǎn)邊緣又產(chǎn)生一個(gè)新熔池，基值電流期間又形成另一個(gè)新焊點(diǎn)。如此重復(fù)地進(jìn)行，就獲得由許多焊點(diǎn)連續(xù)搭接而成的脈沖焊縫。

1.3 焊接速度

焊接速度直接影響焊接生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量。焊接速度過高，焊接時(shí)形成的熔池溫度過低，會(huì)造成未焊透、未熔合、焊縫成形不良等缺陷；焊接速度過低，高溫停留時(shí)間過長(zhǎng)，擴(kuò)大熱影響區(qū)，導(dǎo)致焊接接頭的晶粒粗大，降低其力學(xué)性能，焊接過后管件的變形量增大。

2 焊接設(shè)備及材料

2.1 焊接設(shè)備

采用加拿大TIP公司生產(chǎn)的全位置脈沖鎢極氬弧焊機(jī)，使用前應(yīng)對(duì)焊接設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，保證焊接設(shè)備處于完好狀態(tài)。

2.2 焊接材料

雙金屬?gòu)?fù)合管基管材料為L(zhǎng)360QS，其規(guī)格為 Φ219.1 mm×（10+2）mm， 耐蝕合金內(nèi)襯為316L。在焊接材料選擇時(shí)首先考慮力學(xué)性能，同時(shí)按照母材的化學(xué)成分選擇與之匹配的焊材，此外管道的使用環(huán)境條件也是焊材選擇的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。按照上述要求，雙金屬?gòu)?fù)合管的焊接選用規(guī)格為Φ1.0 mm的ERNiCrMo-3焊絲，其化學(xué)成分見表1。

表1 焊接雙金屬?gòu)?fù)合管所用ERNiCrMo-3焊絲的化學(xué)成分%

3 焊接工藝試驗(yàn)及評(píng)定

3.1 堆焊工藝參數(shù)的確定

根據(jù)堆焊工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響，制定了堆焊工藝參數(shù)，見表2。

焊工應(yīng)按照焊接工藝規(guī)程要求對(duì)管道進(jìn)行堆焊，試件焊接過程中管道內(nèi)部進(jìn)行充氬保護(hù)且要注意焊接表面的清理。

表2 堆焊工藝參數(shù)

3.2 焊接工藝評(píng)定

完成管端堆焊工藝試驗(yàn)后，按照DNV-OSF101《海底石油管線》的要求進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。

3.2.1 無損檢測(cè)

根據(jù)堆焊檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，首先進(jìn)行堆焊外觀檢驗(yàn)，堆焊層表面呈均勻魚鱗狀焊縫外形，沒有咬邊、裂紋和氣孔，按DNV-OS-F101《海底石油管線》要求進(jìn)行射線探傷檢測(cè)，結(jié)果為Ⅰ級(jí)合格。

3.2.2 金相檢驗(yàn)

圖1 堆焊層與母材

圖2 堆焊層

復(fù)合管管端脈沖鎢極氬弧堆焊后的微觀金相組織如圖1和圖2所示。從圖1和圖2可以看出，焊縫與母材熔合良好，未發(fā)現(xiàn)氣孔、顯微裂紋和異常組織。堆焊焊道熔合區(qū)尺寸較小，熔合線附近的晶粒粗化不明顯，焊縫中的組織相分布均勻，晶粒細(xì)小。這主要是因?yàn)槊}沖焊熱輸入較小，冷卻速度較快，抑制了晶粒的長(zhǎng)大，細(xì)化了奧氏體晶粒，從而獲得強(qiáng)度更高、韌性更好的焊縫組織。

3.2.3 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3可以看出，試樣屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、屈強(qiáng)比均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且斷裂位置均位于襯層及非堆焊層區(qū)域的基層。

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.2.4 彎曲試驗(yàn)

按照 DNV-OS-F101《海底石油管線》要求進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，彎曲試驗(yàn)芯棒直徑為50.8 mm，兩支承輥間距離為73.8 mm，彎曲角度 180°；試驗(yàn)結(jié)果要求沒有開裂、裂紋、表面未發(fā)現(xiàn)氣孔和夾渣。經(jīng)檢測(cè)彎曲試驗(yàn)結(jié)果全部合格。

3.2.5 沖擊試驗(yàn)

試樣采用夏比V形缺口，按照ASTM A370標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，要求在室溫下進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)于每一組試樣，單個(gè)沖擊功≥90 J，平均值≥109.5 J。沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表4。

從表4結(jié)果可以看出，堆焊層沖擊結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)定值，說明采用脈沖鎢極氬弧堆焊工藝的堆焊層的沖擊性能是非常理想的。

表4 夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3.2.6 焊縫金屬晶間腐蝕試驗(yàn)

按照ASTM-A262標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，取3個(gè)堆焊層試樣放置在腐蝕溶液中，進(jìn)行24 h加熱試驗(yàn)，取出后洗凈、干燥、彎曲，其檢測(cè)結(jié)果為未發(fā)現(xiàn)晶間裂紋，也無晶間腐蝕傾向。

4 結(jié) 論

通過大量試驗(yàn)，確定了雙金屬?gòu)?fù)合管管端堆焊規(guī)范參數(shù)的選擇原則。施焊時(shí)，應(yīng)按照焊接工藝規(guī)程要求對(duì)管道進(jìn)行堆焊，焊接過程中管道內(nèi)部進(jìn)行充氬保護(hù)且要注意焊接表面的清理。

按照DNV-OS-F101《海底石油管線》要求對(duì)焊件進(jìn)行相關(guān)工藝評(píng)定，無損檢測(cè)、金相試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)及晶間腐蝕試驗(yàn)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，證明此工藝可獲得優(yōu)質(zhì)堆焊層，在雙金屬?gòu)?fù)合管的管端處理方面有一定指導(dǎo)意義。

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Application of Pulsed Tungsten Argon Arc（TIG） Welding Technology in Bimetal Composite Pipe

WANG Fuduo1,2,LIANG Guoping1,2,CHEN Bo1,2,BIAN Tianjun1,2,LI Yuan1,2,LIANG Guodong1,2,WANG Jian1,2
（1.Shaanxi Metal Composite Pipeline Engineering and Technology Research Center， Xi’an 710025,China;2.Xi’an Sunward Aeromat Co.,Ltd.,Xi’an 710025,China）

In order to increase pipe end overlaying welding quality of bimetal composite pipe,obtain weld structure with high strength and high toughness.In this article,it established corresponding welding process,through analyzing the influence of pulsed TIG welding technology on bimetal composite pipe weld formation.After completion of welding process test,the welding procedure qualification was carried out according to DNV-OS-F101 Submarine Oil Pipelines.The results indicated that non-destructive inspection levelsⅠis qualified,it found no stoma,microscopic cracks and abnormal structure in weld and base metal,the tensile and bending tests are qualified,the average impact energy of overlaying layer arrives 259.4 J,without intergranular crcak.The results showed that the overlaying welding technology in bimetal composite pipe can obtain high quality welding layer,the pulsed TIG welding technology can be applied in the field of bimetal composite pipe end overlaying welding.

bimetal composite pipe;pulsed tungsten argon arc（TIG） welding;overlaying welding parameters;welding procedure qualification

TE973

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.01.006

王富鐸（1987—），男，工學(xué)碩士，工程師，主要從事雙金屬?gòu)?fù)合管管道焊接技術(shù)工作。

2015-09-02

黃蔚莉