油氣管道自動焊接焊縫檢測實驗研究

沈桓宇，劉 元，豐兆安

（1.南充職業技術學院機電工程系，四川南充 637000；2.成都國科檢測技術有限公司，四川成都 610000；3.中國石油寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞 721000）

1 管道自動焊接

油氣管道環縫焊接多數在野外施工現場進行，通常工作環境惡劣，勞動強度大，對于焊工技術要求高。現有的手工焊和半自動焊焊接效率低，對焊接人員技術要求高，管道自動焊接在油氣工程的運用，可以很好地改善這些問題。油氣用鋼管的強度等級較高，管徑和壁厚較大，油氣管線施工多以自動焊和半自動焊為主，手工焊為輔。油氣輸送管線的焊接質量要求很高，既要控制缺陷的產生，又要焊道內表面光滑，因此如何提高焊接效率和焊接質量成為首要問題[1-3]。

管道自動焊接主要由焊接電源、水冷系統、機械機構、管道自動焊接控制系統等部分組成，綜合運用了機械、電子、控制、信息、計算機等多個學科相關知識和新興技術，減輕焊工的勞動強度。主要有以下特點：

1）體積小、重量輕，便攜式的設計使得它能夠適應油氣工程施工作業的要求。

2）設備智能化程度高，坡口焊道形狀自動適應，實時調整焊接參數。

3）采用管子固定、磁小車抱柱爬行的方式，實現油氣工程管道全位置自動焊接。

4）焊縫成型好、缺陷少而且美觀。

2 管道焊接實驗理論分析

在油氣管道焊接工程中，埋弧自動焊不適用于管道焊接，電阻閃光焊由于我國地理環境因素不適用，鎢極氬弧自動焊和熔化極全位置自動焊在施工中易出現焊縫未熔合、氣孔、夾渣等缺陷，而單槍雙絲焊接技術可以在一定程度上解決上述問題[4-5]。

在單槍雙絲管道自動焊接工藝參數中，焊接速度與焊接電壓及焊接電流的匹配對焊縫成型及焊接質量影響很大。為了有效研究并分析管道自動焊接質量差等問題，以X70管線鋼為對象進行自動焊接實驗，針對焊接后形成的焊縫分別作焊縫外觀實驗、X射線無損探傷實驗、焊縫成型特征實驗、低溫沖擊韌性實驗。通過對油氣管道分別進行打底層、填充層、蓋面層自動焊接，焊后對焊縫外觀進行目視檢驗，查看焊縫成形是否有未熔、裂紋、表面氣孔等缺陷，并對自動焊接后的焊縫質量進行分析研究，對提高管道自動焊接質量具有重要意義[6-7]。

3 管道焊縫實驗分析

3.1 實驗材料分析

X70管線鋼的顯微組織如圖1所示，化學成分、力學性能如表1和表2所示。

圖1 X70管線鋼顯微組織

表1 X70管線鋼的化學成分（%）

表2 X70管線鋼的力學性能

3.2 焊縫外觀實驗

實驗材料是國產X70油氣管線鋼管，管道直徑1 016mm， 管壁厚度17.5mm。焊接保護氣采用混合富氬氣體（85%Ar2+ 15%CO2）保護，并設定氣體流量為15～18L/min。

以焊接速度850mm/min、焊接電壓25V、焊接電流250A對管道作雙絲自動焊接實驗，分別進行打底層、填充層、蓋面層焊接，對焊接后的焊縫進行外觀分析，從圖2可以看出，焊縫表面沒有未熔、氣孔和咬邊等缺陷，焊接質量較好。

圖2 焊縫外觀圖

3.3 X射線無損探傷實驗

X射線探傷結果部分照片如圖3所示，焊縫層間熔合比較理想，焊縫平滑，整個焊縫無明顯未熔、氣孔、咬邊等缺陷。

圖3 焊縫X射線無損探傷

3.4 焊縫成型特征實驗

將焊后所制備的焊縫試樣拋光，再用4%的硝酸酒精腐蝕后得到焊縫尺寸，用精確度為0.02mm的游標卡尺進行測量，如圖4所示。

圖4 焊縫成型特征圖

焊縫成形特征可由熔深、熔寬及余高等參數來表征。在自動焊接過程中，熔池的形狀直接決定著焊后焊縫成型特征。當電弧移動時，焊縫金屬的晶粒總是以熔池尾部邊緣母材半熔化晶粒為基礎，背著散熱方向即垂直熔池壁方向生長的，因此無論從橫向或縱向看，焊縫成形特征還對焊縫金屬結晶方向、雜質偏析及裂紋傾向等焊縫的冶金質量有很大的影響。由游標卡尺測得焊縫的具體尺寸數據為：熔寬12.5mm，余高1.9mm。

3.5 低溫沖擊韌性實驗

沖擊實驗采用JB-300B半自動沖擊實驗機，低溫沖擊韌性實驗（-20℃）按照國家標準GB/T 229金屬夏比缺口沖擊實驗方法進行實驗。

低溫沖擊實驗應按圖5所示的位置，在焊接接頭的相近位置截取一個試塊，用試塊機加工出三塊試樣，缺口開在焊縫垂直中心線上。

圖5 沖擊試件截取位置示意圖

焊縫沖擊實驗標準如表3所示。

表3 沖擊實驗標準

對焊縫依據圖5所示位置分別進行取樣，制備試樣尺寸為10mm×10mm×55mm，并進行沖擊實驗，所得焊縫處沖擊實驗結果如表4所示。

表4 焊縫沖擊實驗結果

由上表可以看出，焊縫的沖擊吸收功都高于標準值。

選用沖擊吸收功最小試樣（98.5J）的斷口，在6360LV型掃描電子顯微鏡（SEM）下進行觀察。觀察時為了保證試樣的良好導電性，在觀察表面上用導電膠帶黏連。對斷口進行掃描，以下分別給出焊縫沖擊斷口500X和1 000X掃描結果如圖6所示。

圖6 沖擊試樣斷口掃描

由掃描照片可知，試件斷口呈凹凸不平的纖維狀，斷面形狀不規則，沖擊斷口微觀形貌主要是韌窩，可以看到非常多的并且大小一致的等軸韌窩，放大些可以看出少量的撕裂韌窩，韌性較好，在沖擊過程中有較大的塑性變形，對應著較高的沖擊吸收功，該焊縫焊接質量較好。

4 結論

1）以焊接速度850mm/min、焊接電壓25V、焊接電流250A對管道作雙絲自動焊接實驗，對焊接后的焊縫進行外觀分析，發現焊縫表面都沒有未熔、氣孔和咬邊等缺陷，焊接質量較好。

2）通過對焊縫進行X射線探傷實驗，發現焊縫層間熔合比較理想，焊縫平滑，整個焊縫無明顯未熔、氣孔、咬邊等缺陷。

3）通過對焊縫試件進行低溫沖擊韌性實驗，試件斷口呈凹凸不平的纖維狀，斷面形狀不規則，沖擊斷口微觀形貌可以看到非常多的并且大小一致的等軸韌窩，韌性較好，在沖擊過程中有較大的塑性變形，對應著較高的沖擊吸收功，驗證焊接質量較好。