1、厚壁直縫鋼管五絲埋弧焊工藝的開發與應用摘 要:基于厚壁直縫焊管生產的需要,開發了五絲埋弧焊焊接工藝。論述了五絲埋弧焊原理及特點,確定了焊接電源配置方式、焊絲空間排布方法、各焊絲直徑大小的組合、焊劑品種的選用以及焊接電流、電弧電壓、焊接速度等工藝參數。生產實踐表明,所制定的五絲埋弧焊焊接工藝是成功有效的。前 言在厚壁直縫埋弧焊管生產過程中,五絲埋弧焊一直是焊接工藝研究的熱點。目前,世界上只有少數國家掌握了這種先進的生產技術。五絲埋弧焊采用5個電源分別對沿焊接縱向排列的5根焊絲單獨供電,焊絲在焊劑層下的一個共有熔池內燃燒,從而實現對鋼管的焊接。由于五絲焊電弧多,電流大,熔池長,因此具有熱輸入大、熔

2、敷效率高、冶金反應充分、焊接速度快等優點。為了提高厚壁直縫焊管生產的焊接效率,滿足市場對大直徑、大壁厚、高強度、高韌性焊管在油氣輸送管線中的需求,番禺珠江鋼管有限公司在原三絲焊工藝的基礎上,研究開發了五絲埋弧焊焊接工藝。1 五絲埋弧焊焊接工藝研究內容在五絲埋弧焊工藝開發項目中,存在AC電弧間電磁干擾明顯、可調參數多、工藝控制要求嚴格等難點。具體表現在焊接電源的配置與連接、焊絲空間位置的設置、焊接參數的選擇、焊絲直徑的組合及焊劑的選用等方面。其中焊接電源配置、焊絲空間位置的設計以及焊接參數的選擇是工藝開發的重點,其關健的技術問題是選擇合理的電源連接方式以及眾多可變參數的合理組合。1.1 電源配置

3、及連接方式在多絲焊(如三絲焊)中,前置焊絲為DC電源時的焊縫熔深比AC電源時的大,因而多絲焊一般均采用DC-AC混合電源配置。五絲埋弧焊是在三絲埋弧焊的基礎上添加了兩個AC電源焊絲而構成,即DC-AC-AC-AC-AC混合電源配置。但在多絲焊中,AC焊絲數目越多,其電弧間的磁干擾消除也越困難。為此筆者進行了大量的焊接試驗,通過改變AC電源的連接,使電流相位差90°,可有效地消除AC電弧間的磁影響,使電弧穩定燃燒。1.2 焊絲空間位置的設置焊絲傾斜方向和傾斜角度的大小,對焊縫熔深和焊縫成形有較大影響。焊絲向前傾斜比向后傾斜時的熔深大,而向后傾斜比向前傾斜時的焊縫寬。為了進一步增加焊縫熔

4、深和改善焊縫成形,將五絲埋弧焊的1絲(DC)設置為前傾,后隨的4個絲(AC)設置為依次過渡到后傾,并依次增大后傾角。經過大量的焊接試驗,優化出各絲的傾斜角度如圖1所示:1絲前傾角10°20°,2絲前傾角0°10°,3絲后傾角5°15°,4絲后傾角18°28°,5絲后傾角30°40°,并匹配適宜的焊接工藝參數,可獲得良好的焊縫形貌。需要指出的是,1絲前傾角和5絲后傾角不宜過大。1絲前傾角過大對焊縫熔深有一定的影響;5絲后傾角過大,導電嘴底部易與液態熔渣形成“電弧”,影響焊接過程的穩定性。焊絲伸出長

5、度主要影響焊縫余高和熔合比2。焊絲伸出長度增加,焊縫余高增大,熔深減小;反之亦然,若焊絲伸出長度過短,導電嘴容易粘渣,進而導電嘴與導電嘴之間易產生“電弧”而影響正常電弧的穩定燃燒。經焊接試驗得出,五絲埋弧焊的焊絲伸出長度一般取9d11d(d為焊絲直徑)較為適宜。1.3 焊絲直徑的選擇及組合不同直徑的焊絲有各自適應的電流范圍。高出此范圍,焊絲熔化量增多,會影響熔深和焊縫形貌;低于此范圍,電弧自身調節作用受到影響而使電弧不穩定。因而五絲埋弧焊焊絲直徑應主要根據焊接電流來選擇,見表12-3。五絲埋弧焊1絲(前絲)的電流最大,一般超過1 000 A,最大可達1 200A以上;而5絲(最后絲)的電流最小

6、,一般在700A以下;其最大電流與最小電流之差在400 A以上。若5根絲的電流均在同一焊絲直徑的電流范圍內,可選用一種直徑的焊絲進行焊接,反之則選擇不同直徑的焊絲組合較好。1.4 焊接參數的選擇焊接電流和電弧電壓對焊縫形狀和焊接質量有著重要的影響,是五絲埋弧焊重要的焊接參數。根據三絲埋弧焊工藝,五絲焊的焊接電流和電弧電壓也是按照1絲大電流、小電壓逐步過渡到5絲小電流、大電壓的方式進行設置的。1絲的電流在焊接電源容量許可的情況下,盡可能選擇大電流,以保證在獲得足夠熔深的情況下有較高的焊接速度。后隨4根焊絲的電流按前一絲電流的70%90%比例進行選擇,坡口較大需要較多的焊絲熔敷金屬時,選擇比例上限

7、;若需降低焊縫余高減少熔敷金屬量時,選擇比例的下限。 在保證電弧穩定燃燒的情況下,1絲應盡可能選擇較小電壓,以增加1絲電弧的熔深,經焊接試驗優化,一般在3134 V范圍內較佳,焊接電流較大或焊絲較粗時可選擇上限,反之選擇下限;后隨4根焊絲的電壓按依次增大13 V進行選擇,5絲的電弧電壓一般在3943V范圍內。五絲埋弧焊適合于厚壁開坡口工件的焊接,其焊接速度主要取決于熔深和坡口內填充的熔化金屬量,熔深和坡口內金屬填充量又取決于焊接電流和坡口形式與尺寸。因此選擇五絲埋弧焊焊接速度時,應根據板厚、焊接電流和坡口形式與尺寸等綜合因素來確定。1.5 焊劑的選擇由于五絲埋弧焊的焊絲數目多、熱輸入大、焊接速

8、度快等因素,一方面使焊縫氧含量增多,引起焊縫韌性下降;另一方面由于五絲焊的熔池尺寸大,高溫停留時間長,熔化金屬在重力作用下容易流動,使焊縫扁平。因而從提高焊縫韌性和保證焊縫良好形貌的角度考慮,五絲埋弧焊應選擇熔點較高、具有一定黏度的高堿型焊劑。五絲埋弧焊電弧燃燒的空間較大,熔化的焊劑量也較多,約為三絲焊的1.11.4倍。焊劑顆粒增大將進一步增大電弧燃燒空間,這將使焊劑消耗量進一步增加,同時也使焊縫熔寬增大,熔深和余高減小。另外,由于熔化的焊劑量較大,需要堆積的焊劑也較高,一般為4555mm。若堆積高度較低,電弧外露,焊縫易產生氣孔,嚴重時導電嘴容易粘渣和燒結。綜上所述,五絲埋弧焊應選用顆粒細、

9、熔點高、黏度適中、穩弧性好的高堿型焊劑。 2 應 用我公司應用內焊四絲(與五絲焊同時開發)、外焊五絲埋弧焊工藝為印度生產了板材(寶鋼生產)材質X52鋼級,直徑1 219 mm,壁厚分別為20.6 mm,22.2 mm和23.8 mm的海底輸氣管線用直縫埋弧焊鋼管3萬多噸。以圖2所示為例(壁厚22.2mm,坡口采用X形),介紹五絲埋弧焊焊接工藝。鋼板經JCO工藝成形管坯后,經預焊、內焊和外焊三道焊接工序焊制。預焊采用CO2+A r混合氣體保護焊在外坡口內連續焊接,內焊采用四絲埋弧焊,外焊采用五絲埋弧焊,其焊接工藝參數見表2。焊劑采用SJ101燒結焊劑。圖3為焊縫橫斷面實物照片,焊縫形貌良好,外焊

10、縫熔深為15.6 mm,達到板厚的70%。焊縫金屬的拉伸性能和沖擊韌性均滿足標準要求(見表3、表4)。母材、熱影響區和焊縫金屬的硬度187235HV10,滿足標準248HV10的要求。此次采用五絲埋弧焊焊接工藝為印度共生產4 500多根<1 219 mm厚壁鋼管,除試生產外,正常生產的鋼管UT一次檢驗合格率達94%,RT為96%。3 結 論(1)五絲埋弧焊采用DC+4AC電源配置,通過改變AC電源連接方式,使電流相位差90°,可有效地消除AC電弧間的磁影響。(2)5根絲的設置,按1絲前傾,后隨4根絲依次逐步過渡到后傾的方式排列,1絲前傾角一般不超過25°、而5絲后傾角不超過40°時較好。焊絲間距按14絲間距相等而45絲間距稍大或15絲依次增大的方式進行設置,各絲間距在1530 mm時,電弧燃燒穩定,焊縫形貌較好。焊絲伸出長度比三絲焊時要長,一般取9d11d較佳。五絲埋弧焊的焊絲直徑應根據焊接電流來選取,當5根焊絲的電流均在同一焊絲直徑的適應電流范圍內時,可采用相同直徑的焊絲組合焊接。(3)五絲埋弧焊的焊接電流和電弧電壓的設置,可按1絲大電流、小電壓逐步過渡到5絲小電流、大電壓。其電流的降幅一般按前一絲的10%30%逐步降低,電弧電壓的升幅按13 V逐步增