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厚壁直缝埋弧焊管焊缝熔合线夹渣产生的原因及对策

发布时间:2014-07-26   

随着油气输送管线设计输送压力的不断提高,钢管向着高钢级、大管径、厚壁厚方向发展。提高厚壁直缝埋弧焊管的焊接质量,对提高产品质量和生产效率具有重要意义。在厚壁直缝埋弧焊管的生产中,焊缝夹渣是影响焊缝质量的主要缺陷之一,尤其是壁厚25mm以上的直缝埋弧焊管焊缝夹渣较多。渤海装备巨龙钢管有限公司(简称巨龙钢管公司)在生产南海天然气海底管线用X65钢级Ф762mm×30.2mm直缝埋弧焊管时,初期焊缝夹渣比例达到20%,经多次试验及调整工艺参数后,夹渣比例降到5%以下,使焊管返修比例降低,生产效率大幅度提高。

  本文着重分析厚壁直缝埋弧焊管焊缝熔合线夹渣产生的原因,并提出相应的改进建议。

  1、夹渣试样分析

  对直缝埋弧焊管有缺陷的部分取样,通过超声波手动探伤仪确认缺陷在焊缝中的位置,用机械加工的方法加工出缺陷所在的焊缝横断面,经磨削、抛光、腐蚀后制成金相试样。通过金相试样分析发现,厚壁直缝埋弧焊管焊缝夹渣多位于内外焊缝根部熔合线的位置,如图1所示。

  2、产生夹渣的原因分析

  夹渣是残留在焊缝内部的熔渣。从理论上分析,埋弧自动焊焊缝产生夹渣的原因主要有以下3点:①原材料(包括母材、焊丝、焊剂)中夹杂物较多;②多层焊时层间清理不干净;③选用的焊接工艺参数不当,不利于熔渣的浮出。

  根据直缝埋弧焊管的生产特点,可以排除多层焊时层间清理不干净而使焊缝产生夹渣这一原因。

  针对原材料中夹杂物较多而使焊缝产生夹渣,采取焊前检验母材、更换新焊丝和焊剂等措施后,焊缝熔合线夹渣产生的比例仅略有减少,说明原材料中的夹杂物不是导致夹渣产生的主要原因。

  因此,厚壁直缝埋弧焊管产生熔合线夹渣的主要原因是选用的焊接工艺参数不当。厚壁直缝埋弧焊管的焊接工艺参数主要有:线能量、焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊丝间距、坡口尺寸等。

  再从焊接冶金学方面做深入分析可知:焊缝熔合线产生夹渣的原因主要是熔合线温度过低,使液态熔渣来不及析出;而导致熔合线温度过低的原因是加热的峰值温度太低或冷却速度过快。

  点热源的最高温度Tm的计算公式为:

  Tm=2.34×105E/(cpr02) (1)

  式中E——线能量,J/mm;

  c——工件比热容,J/(g·℃);

  ρ——工件密度,g/mm3;

  r0——某点与热源中心的距离,mm。

  从式(1)可以看出:焊件上某点的最高温度Tm与线能量E、该点与热源中心的距离r0有关(同一种钢板的热物理性能相同,其比热容c和密度ρ均为定值)。熔池的冷却速度与线能量、钢板的热物理性能、钢板厚度、坡口尺寸有关,对于给定材料,其冷却速度取决于热传播的类型、预热温度T0和单位长度焊缝上的有效热输入量Ew,它随升高温度T与预热温度T0的差值增加而增加,随Ew的增加而下降。渤海装备研究院钢管研究所赵波等人在研究焊管焊接数值模拟时得出的焊接线能量E的计算公式为:

  E=Kδ (2)

  式中δ——钢管壁厚,mm;

  K——系数。

  四丝埋弧焊时,K值在2.0×102~2.2×102之间,与德国U&S公司的研究结果K=2.1×102~2.5×102基本相同;而双丝埋弧焊时,内焊K=2.0×102~2.4×102、外焊K=2.4×102~3.2×102比较合适。由此可以看出:在一定壁厚条件下,焊接线能量基本是定值,过大或过小均会影响钢管焊接质量。同时,在线能量一定时,熔合线上某点的最高温度由该点与热源中心的距离决定。在多丝埋弧自动焊中,r0与坡口尺寸、1丝电流、电压、焊接速度有关。

  在一定范围内,焊缝熔深与1丝电流成正比,焊缝根部熔宽与1丝电压成正比,当1丝的电流或电压增大时,r0增大,焊缝根部熔合线的最高温度降低,焊缝易产生夹渣。直缝埋弧焊管多丝埋弧焊时,由于焊丝间距较小,一般为16~20mm,多根焊丝形成了一个沿焊缝方向的综合熔池,因此后几根焊丝电流的大小对焊缝熔深也有一定的影响。

  内焊时受坡口型式的影响,焊缝根部中心区域的厚度远小于根部两侧的厚度,其冷却速度也比两侧的小很多,因此,易在内焊缝根部两侧产生夹渣。

  在其他条件相同时,焊缝熔深随坡口角度和深度的增大而增大,随坡口钝边尺寸的减小而增大,随焊接速度的减小而增大。当线能量不变时,随着焊缝熔深的增大,熔合线最高温度的降低,焊缝易产生夹渣。

  在直缝埋弧焊管多丝埋弧焊中,焊接速度对焊缝熔深和熔宽影响较大,焊接速度越快,熔深和熔宽就越小;反之,则越大。

  3、改进措施

  针对上述产生夹渣的原因,巨龙钢管公司在生产X65钢级Ф76mm×30.2mm直缝埋弧焊管时,对焊接工艺进行了改进,改进前后的焊接参数对比见表1;修改了焊缝坡口尺寸,修改前后焊缝坡口尺寸如图2所示;工艺改进后焊缝的宏观形貌如图3所示。焊接工艺参数改进后,焊缝夹渣比例在5%以下。对比图3与图1发现:有缺陷的焊缝(图1)熔深较大,焊缝根部较宽,焊缝呈指形;修改工艺后的焊缝(图3)根部窄,上部宽,呈三角形。

  在生产Ф762mm×28.6mm、Ф1016mm×26.2mm、Ф1219mm×27.0mm焊管时,采取上述措施减少焊缝夹渣,取得了良好的效果。

  4、结语

  在生产厚壁直缝埋弧焊管时,为提高生产效率,减小焊缝根部熔合线夹渣产生的几率,提高焊接质量,在制定焊接工艺时,应选用合适的线能量,并适当调整焊接坡口的尺寸及各焊丝的焊接电流、电压的大小,避免形成指状焊缝,防止焊缝根部熔合线产生夹渣。