低熱輸入多絲埋弧焊工藝研究

孫 宏，田 鵬，宗秋麗，劉振偉，紀鵬蕊 編譯

（1.渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062658；2.渤海裝備巨龍鋼管公司，河北 青縣062658）

低熱輸入多絲埋弧焊工藝研究

孫 宏1，田 鵬1，宗秋麗1，劉振偉1，紀鵬蕊2編譯

（1.渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062658；2.渤海裝備巨龍鋼管公司，河北 青縣062658）

研究開發(fā)出了一種新型高強度、大壁厚UOE鋼管埋弧焊工藝。該工藝采用小直徑焊絲作為多絲焊的前絲（第1絲），將焊接熱輸入降低25%，細化了熱影響區(qū)原始奧氏體的晶粒尺寸，從而提高了API X65鋼級大壁厚管線鋼管焊縫熱影響區(qū)的韌性。試驗結(jié)果表明，該工藝可以實現(xiàn)焊接接頭完全焊透，同時具有充足的熔敷金屬，達到了與傳統(tǒng)方法相同的熔深。通過超聲波和射線檢測，焊縫均未發(fā)現(xiàn)未焊透、夾渣等焊接缺陷，焊縫形貌良好。

管線鋼管；UOE；低熱輸入；埋弧焊；焊絲

1 概 述

隨著天然氣輸送管道建設的發(fā)展，對管線鋼管的性能要求日益嚴苛。高強度、高韌性和大壁厚是目前管線鋼管用鋼板需求的主要特點，尤其是高輸送壓力、縱向的斷裂抗力和深水管道的抗壓潰能力，另外，還需考慮管道鋪設時環(huán)焊縫的性能要求和焊管生產(chǎn)過程中的焊縫性能，特別是對于鋼管本身的焊縫，通過應用高堿度焊劑進行埋弧焊，已經(jīng)實現(xiàn)了焊縫金屬的高韌性，并通過優(yōu)化鋼的顯微組織來改善熱影響區(qū)的韌性。

對于UOE鋼管，從保證生產(chǎn)效率的角度來看，焊接方式采用多絲內(nèi)外雙面埋弧焊（DSAW）。隨著鋼管壁厚的增大，焊接熱輸入也隨之提高，獲得焊態(tài)高韌性的熱影響區(qū)成為需要解決的問題。

根據(jù)母材組織是鐵素體還是貝氏體來改善熱影響區(qū)韌性的技術(shù)有所不同，主要包括以下幾點：①通過細化奧氏體晶粒的尺寸來細化斷裂面的尺寸；②降低硬相M/A組元的比例；③采用更潔凈的母材（降低N和P的含量）。從焊接工藝的角度來看，降低焊接熱輸入是通過方法①來改善熱影響區(qū)韌性的有效方法之一。

2 低焊接熱輸入埋弧焊技術(shù)

隨著焊接熱輸入的降低，UOE鋼管焊縫熱影響區(qū)韌性得到提高。試驗采用 X65鋼，其主要化學成分見表1。圖1給出了熔合線附近原始奧氏體晶粒尺寸和焊接熱輸入之間的關(guān)系。圖2為圖1中A點和B點的顯微組織。由圖1和圖2可以看出，隨著焊接熱輸入的降低，奧氏體晶粒尺寸減小，熱影響區(qū)韌性得到了改善。降低焊接熱輸入的一種有效方法就是在多絲埋弧焊中采用小直徑焊絲作為前絲（第1絲）。這項技術(shù)在降低焊接熱輸入的同時提高了熱影響區(qū)的韌性，其具有3個特點：①熔敷金屬增加；②熔透深度增大；③銳化焊縫金屬尖端的形狀。

表1 試驗用X65鋼主要化學成分 %

圖1 雙面埋弧焊熱輸入對奧氏體晶粒尺寸的影響

圖2 圖1中A點和B點相應條件下的顯微組織

2.1 通過應用小直徑焊絲提高熔敷率

圖3給出了單絲埋弧焊焊絲直徑對單位時間熔敷金屬量（熔敷率）的影響。從圖3可以看出，對于直徑為2.4mm和4.0mm的焊絲，熔敷率均隨著焊接電流的增大呈指數(shù)增長。

圖3 焊絲直徑與熔敷率的關(guān)系

熔敷率通常遵循Hirata等提出的方程式，即

式中：ρ—焊絲密度，kg/m3；

H0—熔滴熱焓量，J/kg；

Φ—焊絲加熱的等效電壓，V；

VA—陽極下降電壓 ，V；

VWA—陽極材料的功函數(shù)，V；

Vr—電弧等離子體中電子焓的等效電壓，V；

J—焊絲伸出部分的電流密度，A/m2；

I—焊絲伸出部分的電流，A；

d—焊絲直徑，m；

R0—電阻率，Ω·m；

EX—焊絲伸出部分的長度，m。

由于熔敷率的增加與電流的平方成正比，與焊絲直徑的平方成反比，則使用較小直徑的焊絲來減小焊絲橫截面積，可使熔敷率大幅提高。

2.2 通過應用小直徑焊絲增大熔深

焊接方法采用單絲埋弧焊，焊絲直徑與熔深之間的關(guān)系如圖4所示。由圖4可以看出，隨著焊絲直徑的減小，熔深顯著增大。這是因為隨著焊絲直徑減小，電流密度逐漸增大，從而提高了電弧能量的密度，使電磁場的擠壓效應變大，電弧也更加集中，進而增大熔深。作為降低焊接熱輸入的條件，焊接時應使焊接接頭獲得最小的熔透深度和足夠多的熔敷金屬，并且不能造成未熔合、未焊透及咬邊等焊接缺陷。因此，使用小直徑焊絲時，可以通過提高焊接速度來降低熱輸入。

圖4 焊絲直徑對熔深的影響

圖5為將直徑為2.4mm的焊絲用作四絲埋弧焊前絲的情況下降低焊接熱輸入的應用示例。從圖5可以看出，與傳統(tǒng)的方法相比，該方法最大可以降低大約25%的焊接熱輸入。

圖5 通過小直徑焊絲降低焊接熱輸入的效果示例

3 小直徑焊絲埋弧焊技術(shù)的應用

3.1 試驗方法

將小直徑焊絲埋弧焊技術(shù)應用于UOE鋼管的焊接，并對焊縫的力學性能進行了評估。試驗材料采用X65高強度鋼板，其化學成分見表2。雙面埋弧焊采用與UOE鋼管生產(chǎn)條件相同的焊接條件，鋼板的厚度為29mm，主要焊接條件見表3。焊接采用X形坡口，并在外坡口的底部采用氣體保護焊進行連續(xù)預焊，隨后按順序進行內(nèi)焊及外焊。為觀察熔合線附近母材熱影響區(qū)的顯微組織，焊接后對焊接接頭橫截面進行拋光，并用苦味酸進行腐蝕以顯示奧氏體晶界，隨后在光學顯微鏡下觀察。此外，為評估熱影響區(qū)的韌性，按照圖6所示的位置取夏比V形坡口沖擊試樣進行夏比沖擊試驗，試驗溫度為-30℃。

表2 試驗用X65鋼板的主要化學成分 %

表3 四絲埋弧焊的主要焊接條件

圖6 夏比V形坡口沖擊試驗取樣位置

3.2 結(jié)果與討論

通過外焊采用小直徑焊絲，焊接熱輸入只有傳統(tǒng)工藝的75%，可實現(xiàn)焊接接頭完全焊透和充足的焊縫金屬熔敷，也達到了與傳統(tǒng)方法相同的熔透深度。焊后進行的超聲和射線檢測證明，在整條焊縫上均未發(fā)現(xiàn)未焊透、夾渣等焊接缺陷，焊縫形貌良好。圖7為焊接接頭橫截面的宏觀組織照片。

圖7 焊接接頭橫截面的宏觀組織照片

圖8為-30℃時焊縫熱影響區(qū)的夏比沖擊試驗結(jié)果。從圖8可以看出，采用小直徑焊絲埋弧焊技術(shù)提高了外焊和根焊熱影響區(qū)的韌性。

圖9為外焊熱影響區(qū)的顯微組織照片，觀察位置為對應夏比沖擊試樣缺口的底部。由圖9可以看出，通過采用小直徑焊絲工藝將HAZ平均奧氏體晶粒尺寸從大約140 μm細化到了大約80 μm。奧氏體晶粒尺寸的減小使夏比沖擊試驗斷裂面尺寸相應減小，這是改善外焊熱影響區(qū)韌性的主要因素。同樣地，由于外焊縫熱輸入的降低抑制了根焊縫奧氏體晶粒的粗化，從而使根焊縫熱影響區(qū)的韌性也有所改善。

圖8 -30℃時焊縫熱影響區(qū)的夏比沖擊試驗結(jié)果

圖9 外焊熱影響區(qū)的顯微組織照片

4 結(jié) 語

為了提高X65高強度、大壁厚UOE鋼管焊縫熱影響區(qū)的韌性，研究了小直徑焊絲埋弧焊技術(shù)，即四絲焊的前絲采用小直徑焊絲，其主要技術(shù)特點為：

（1）四絲埋弧焊的前絲采用直徑為2.4mm的小直徑焊絲，焊接熱輸入降低了大約25%，并獲得了與傳統(tǒng)方法一樣的熔透深度。

（2）由于焊接熱輸入降低，外焊熔合線附近奧氏體的晶粒尺寸細化了大約40%，提高了熱影響區(qū)韌性。

譯自：KOZUKI SHOHEI，HAYAKAWA NAOYA，OI KENJI.Multiple-electrode submerged arc welding process with low heat input[J].JFE Technical Report，2015（20）：106-111.

Research for Multiple-electrode Submerged Arc Welding Process with Low Heat Input

Translated by SUN Hong1，TIAN Peng1，ZONG Qiuli1，LIU Zhenwei1，JI Pengrui2
（1.North China Petroleum Steel Pipe Company of CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co.，Ltd.,Qingxian 062658，Hebei,China；2.Julong Steel Pipe Company of CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co.，Ltd.，Qingxian 062658，Hebei,China）

It developed a new submerged arc welding（SAW）process for high-strength and heavy wall thickness UOE pipes.A new SAW process which can reduce heat input of 25%due to its high deposition rate and deep penetration is performed with multiple electrode SAW using small diameter welding wire on lead electrode.The results show that improvement of heat affected zone（HAZ）toughness in seam welding on API X65 heavy wall linepipe and refinement of prior austenite grain size in HAZ was achieved in order to reduce its heat input by the new process.This process can achieve full penetration of welded joint，has plenty of deposited metal，which can obtain the same penetration as the traditional method.By ultrasonic and X-ray testing，not found defects in weld such as lack of penetration,slag and so on，the weld appearance is good.

line pipe；UOE；low heat input；submerged arc welding；welding wire

TG445 文獻標志碼：B DOI：10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.04.014

孫 宏（1974—），男，高級工程師，工程碩士，主要從事石油輸送鋼管材料與試驗技術(shù)工作。

2016-01-20

李 超