金屬粉芯焊絲在工業壓力管道焊接中的應用

羅曉軍，呂仲光，何世軍，童愛群，周光河

中石油第二建設有限公司，甘肅蘭州730060

隨著科技的進步以及對高效率和環保的要求，金屬粉芯焊絲因具有焊接質量高、工藝性能好、熔敷速度快及綜合成本低等優點，作為新型焊接材料逐步在長輸管道、海洋工程、船舶制造等領域得到了關注和應用，但在工業管道中一直未得到應用。

金屬粉芯焊絲的藥芯部分主要是金屬粉（鐵粉、合金粉、脫氧劑），占比達80%～90%，只有少量的穩弧劑和造渣劑。從焊絲的成分和焊接操作來看，更接近于傳統實芯焊絲，從制造工藝與焊絲結構來看，接近于傳統熔渣型藥芯焊絲。所以，美國標準AWS 將金屬粉芯型藥芯焊絲歸于實芯焊絲，而日本、歐洲EN 和ISO 則將其歸類為藥芯焊絲，我國也將其歸類為藥芯焊絲[1]。

某煉化裝置工業壓力管道項目的打底焊一直以鎢極氬弧焊為主，該工藝焊縫成型美觀，但對保護氣體純度要求高，易出現氣孔、未熔合、未焊透等缺陷，熔敷系數較低，因而焊接效率低。為此，對金屬粉芯焊絲氣保護焊進行應用試驗研究。

1 優點分析

金屬粉芯焊絲氣保護焊應用于碳鋼工業管道具有以下優點：第一，金屬粉芯焊絲兼具實芯焊絲和熔渣型藥芯焊絲的優點，由于在金屬粉芯中添加了傳統熔渣型藥芯焊絲中的穩弧劑，所以電弧較實芯焊絲更穩定，飛濺更少。第二，金屬粉芯中鐵粉、合金粉都轉化成了焊縫金屬，熔敷效率高，熔敷速度比實芯焊絲快20%[1]，使焊接高效化，且幾乎沒有熔渣，非常適合于根焊，還可有效減少未熔合、夾渣等缺陷。第三，金屬粉芯焊絲屬無縫藥芯焊絲，具有超低擴散氫和極強的抗吸潮性，可有效降低冷裂紋的產生[2]。第四，金屬粉芯焊絲電弧很軟，飛濺、發塵量比實芯焊絲要少1/2，可大大減輕清理飛濺的作業量。第五，RMD 氣保焊技術可以克服根部間隙不均勻、坡口不良、錯邊等焊接不利因素，飛濺極少，熱影響區較小，可有效減少焊接變形和燒穿，大大提高施工效率和焊接質量[3]。

2 焊接工藝試驗

2.1 試驗方案

（1） 選用碳鋼管道分別進行金屬粉芯焊絲RMD 根焊+焊條電弧焊填充、蓋面焊試驗和金屬粉芯焊絲RMD 根焊+熔化極藥芯焊絲氣體保護焊填充、蓋面焊試驗，并對焊接接頭進行力學性能試驗，以檢驗金屬粉芯焊絲RMD 根焊應用于工業壓力管道的可行性。

（2） 對金屬粉芯焊絲RMD 根焊與傳統的鎢極氬弧焊根焊在焊接效率和經濟性方面進行對比試驗和分析，進一步檢驗金屬粉芯焊絲RMD 根焊應用于工業壓力管道的經濟性。

2.2 試驗材料、焊接設備和坡口組對

（1） 試驗材料[4]與焊接設備。母材：選用20鋼，規格D219 mm×8 mm，符合GB/T 9948—2013標準。試驗用焊接材料：焊條選用E4315（J427），直徑為3.2 mm，符合NB/T 47018.2—2017 標準，安泰科技股份有限公司生產；金屬粉芯焊絲選用E70C-6M-H4，大西洋焊接材料股份公司生產；藥芯焊絲選用T492T1-1，符合GB/T 10045—2018 標準，三英焊業股份有限公司生產；焊絲直徑均為1.2 mm，焊接材料的力學性能如表1 所示。焊接設備采用米勒有限公司PipeWorxTM- 400 焊接系統。

（2） 坡口組對及焊前準備。試件坡口如圖1所示，坡口角度α = 60°±2°，組對間隙b =3.0～4.0 mm，坡口鈍邊p=0.5～1.5 mm。焊接前應去除焊件坡口及兩側20～50 mm 范圍的鐵銹、氧化皮及油污等。

表1 焊接材料力學性能（實測）

圖1 坡口形式

2.3 焊接工藝參數

分別進行了金屬粉芯焊絲RMD 根焊+焊條電弧焊和熔化極藥芯焊絲氣體保護焊填充、蓋面焊試驗，金屬粉芯焊絲RMD 根焊保護氣采用20%CO2+80% Ar 的混合氣體（其中CO2的純度超過99.5%，Ar 的純度超過99.99%），藥芯焊絲氣保護焊的保護氣體為100%的CO2，兩種試驗方案的焊接工藝參數見表2。

3 焊接試驗結果分析

3.1 焊接接頭力學性能試驗結果

金屬粉芯焊絲RMD 根焊+焊條電弧焊填充、蓋面焊試驗和金屬粉芯焊絲RMD 根焊+熔化極藥芯焊絲氣體保護焊填充、蓋面焊試驗的焊接接頭力學性能試驗結果見表3。從表3 可以看出，用金屬粉芯焊絲RMD 根焊的2 組試驗焊接接頭的力學性能、彎曲性能全部滿足NB/T 47014—2011[5]工藝評定標準要求。上述試驗結果驗證了金屬粉芯焊絲RMD 根焊工藝的可行性，金屬粉芯焊絲氣保護焊根焊可用于焊接碳鋼類工業壓力管道。

3.2 焊接經濟性對比試驗結果

金屬粉芯焊絲RMD 氣保護焊（GMAW） 根焊和鎢極氬弧焊（GTAW） 根焊時間對比試驗結果見表4，金屬粉芯焊絲RMD 根焊厚度為4.0 ～4.5 mm，鎢極氬弧焊根焊厚度為2.5 ～3.0 mm。金屬粉芯RMD 氣保護焊（GMAW） 根焊和鎢極氬弧焊（GTAW） 根焊的成本對比結果見表5。

表2 焊接工藝參數（母材20 鋼，規格D219 mm×8 mm）

表3 焊接接頭的力學性能

從表4 和表5 可以看出，在同種條件下，金屬粉芯焊絲RMD 根焊時間比鎢極氬弧焊根焊時間節約3 倍，焊接材料成本節約50%，說明金屬粉芯氣保護焊用于碳鋼管道根焊可有效提高焊接效率，降低成本，是一種高質高效的工業壓力管道打底焊接工藝技術。

表4 金屬粉芯焊絲RMD 氣保護焊和鎢極氬弧焊根焊時間對比

表5 金屬粉芯焊絲RMD 氣保護焊和鎢極氬弧焊根焊材料成本對比

4 工程應用

在某PSA 氫氣流程優化項目的工藝管道焊接中，應用了金屬粉芯焊絲RMD 焊接技術進行根焊，焊接取得了良好效果。管道規格為D 426 mm×10 mm，材質為20 鋼，根焊縫背面、正面成形效果見圖2、圖3。

從圖2、圖3 可以看出，焊縫內外成形良好，坡口附近飛濺小，焊縫質量好。在該實際工程應用項目中，金屬粉芯焊絲RMD 氣保護焊（GMAW）高效率的優勢進一步得到了體現，相比于鎢極氬弧焊（GTAW），打底時間節約了80%，熔敷金屬填充厚度增加了20%，極大節省了人力物力，提高了焊接效率。

圖2 根焊縫背面成形

圖3 根焊縫正面成形

5 結論

（1） 從本研究試驗結果可知，采用金屬粉芯焊絲RMD 氣保護焊進行根焊可提供較大的熔深并保證焊縫背面的成形，得到的接頭焊縫形狀合理，焊縫力學性能完全滿足標準要求，因此金屬粉芯焊絲氣保護焊可應用于碳鋼工業管道根焊。

（2） 在進行金屬粉芯焊絲氣保護焊時，由于焊縫金屬冷卻速度較快，晶粒較細，因此焊縫沖擊性能與熱影響區沖擊性能較相近，焊接接頭性能好。

（3） 金屬粉芯焊絲氣保護焊根焊厚度為4.0～4.5 mm，不需要熱焊。

（4） 在采用金屬粉芯焊絲氣保護焊進行根焊時，根焊時間僅為手工鎢極氬弧焊的1/3～1/4，焊接材料成本僅為手工鎢極氬弧焊的1/2，較大幅度地降低了焊接成本，提高了焊接效率。

（5） 但由于金屬粉芯焊絲氣保護焊向下焊僅適用于D219 mm 及以上的工業管道打底焊，因此該因素成為制約金屬粉芯焊絲氣保護焊技術在工業管道中廣泛推廣應用的一個主要原因。