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螺旋埋弧焊管焊縫形貌優化研究

來源:至德鋼業 日期:2020-11-24 22:52:18 人氣:262

對影響螺旋埋弧焊管焊縫成型的因素及焊縫成型的特征進行了較為詳細的闡述,分析了螺旋埋弧焊管焊接工藝參數對焊縫形貌的影響,針對螺旋埋弧焊管成型焊接特征,試驗研究了成型焊接主要工藝參數的變化對焊縫形貌的影響,同時對焊縫形貌進行了計算機優化和模擬,實際生產中取得了滿意的效果。

近年來,隨著高壓、長距離、大直徑油氣管道的快速發展,對螺旋埋弧焊管提出了更高的要求。不僅要求螺旋埋弧焊管具有優良的理化性能外,還要具有良好的焊道形貌。試驗研究表明,螺旋焊管焊縫余高、形貌等是影響管道運行中產生低周疲勞效應的重要因素,焊縫與母材的平滑過渡對于降低高壓輸氣管線的應力集中極為重要。當螺旋焊管用于流體輸送時,由于管道承受流體的交變載荷,在低周疲勞作用下,焊縫的幾何形狀特別是咬邊等對管道壽命會產生影響。當母材與焊縫過渡角較小時,焊趾處應力集中,材料容易發生疲勞失效。

隨著3PEFBE防腐技術的采用,對螺旋焊管焊縫形貌提出了更高的要求。API SPEC 5LGB/T 9711.2標準規定,在對應的最小壁厚下焊縫高度應分別小于等于3.18 mm3 mm,而西氣東輸工程、忠武線、雙蘭線等管線為了滿足防腐要求,在補充技術條件中均要求焊縫余高控制在2.5 mm以內。另外,焊縫外形不規則,如出現魚脊形狀,剛涂敷完的鋼管通過壓輥和旋轉輥時,焊縫處的防腐層受壓應力和拉應力比別處更大,從而使防腐層減薄甚至開裂。如果焊縫與母材過渡角太小,在防腐中還會出現焊趾處打砂清理不干凈,涂敷不到位等,這會引起更嚴重的質量問題。因此,焊縫形貌直接影響防腐質量和生產成本。

因此,研究螺旋埋弧焊管焊縫形貌影響因素,優化并控制焊縫形貌相關參數,意義非常重要。

1螺旋埋弧焊焊縫成型分析

1.1影響埋弧焊焊縫成型的主要因素

研究表明,焊縫形貌決定于熔池的形狀,熔池的形狀又與焊接接頭的形式和空間位置、焊接坡口形狀、間隙尺寸、母材邊緣狀況、焊絲熔化情況及熔滴的過渡方式等因素有關。從根本上講,電弧熱和熔池的受力情況是影響焊縫成型的主要因素。焊縫形貌和尺寸、焊縫質量以及焊接工藝參數間都存在著內在的聯系,焊縫形貌影響著焊縫質量,而焊縫形貌和尺寸又取決于各個焊接工藝參數。

施焊過程中接頭形式和空間位置不同,則重力對熔池的作用不同;焊接工藝參數不同,則熔池的體積和熔池的長度等都不相同。平焊位置時熔池處于最穩定的位置,容易得到成型良好的焊縫。在傾斜位置焊接時,由于重力的作用使熔池金屬有下淌的趨勢,必要時需要限制熔池的尺寸或采取特殊措施控制焊縫的成型,否則易產生焊縫成型缺陷。同時,當坡口和間隙、焊接工藝參數等不合適時,也可能會產生焊縫成型方面的缺陷,如咬邊、魚脊、中凹、未焊透、未熔合、燒穿、氣孔、夾渣等。另外,焊劑的堿度、黏度、表面張力、堆積密度、堆積高度、焊劑回收、焊劑流量和流向等也影響著焊縫形貌及其內部缺陷。研究發現,對于氟堿型渣系,為滿足焊管的焊接工藝性能,其堿度應控制在1.31.8,熱輸入電流應小于1 800 A,水玻璃的模數在2.13.0之間。

1.2螺旋埋弧焊管的成型特征

(1)螺旋埋弧焊管生產中成型和焊接是同步進行的,因此焊接質量的好壞與成型的穩定性密不可分。焊縫中常出現的缺陷如偏流、錯邊、燒穿、咬邊甚至氣孔、夾渣等都與成型有關。

(2)螺旋埋弧焊與其它埋弧焊不同的是內外焊都在斜坡上完成,且內外焊都是下坡焊,如圖1所示。內焊頭是在六點鐘靠前的位置上,這樣就使得內焊縫的熔池無法在水平位置上凝固,焊縫表面容易形成“馬鞍形”。外焊頭是在十二點鐘靠后的位置上,由于金屬向前流動,外焊道中間部分易被加厚,形成中凸焊道。

(3)螺旋埋弧焊的另一大特點是多采用雙絲焊,熔池熱量大,高溫停留時間長,這樣就促使焊接熔池的冶金反應更加充分。一方面伴隨冶金反應產生的H 2CO等有害氣體有充分的逸出時間,使焊縫結晶過程中殘存的氣體大為減少,降低焊縫中產生氣孔的敏感性,同時有利于熔渣的浮出,使非金屬夾雜物大量減少,脫渣容易,焊縫外形光滑美觀。另一方面,由于兩個電弧集中加熱,熔化金屬量多,使焊縫熔深增加,熔寬加寬,可提高焊接速度。

2螺旋埋弧焊管焊接工藝參數對焊縫形貌的影響

焊縫形貌一般是指焊縫的橫截面,如圖2所示,它的外觀幾何形狀參數主要有焊縫余高C、焊縫熔寬B、焊縫熔深H、焊縫側面角θ以及內外焊重合量D等。

2.1坡口尺寸對焊縫形貌的影響

針對不同坡口下螺旋埋弧焊管焊縫形貌的變化情況進行平板焊接試驗,以研究坡口大小與焊縫形貌的關系。

試驗設備為平板焊接試驗臺、林肯DC1500和林肯AC1200焊機;焊接材料為BG-H08C焊絲(<4 mm,<3.2 mm),BG-SJ101G焊劑;試驗板材為武鋼L450鋼級、厚度11.9 mm卷板。

試驗結果如圖3所示,可以看出,60°坡口的試樣焊縫未填滿外,隨著坡口角度的增加,焊絲填充空間的擴展,焊縫余高明顯降低,熔深、熔寬以及焊縫與母材的過渡角均明顯增加,焊縫形貌得到較大改善。

除坡口角度外,要獲得良好的焊縫形貌,坡口深度和鈍邊量控制也很重要。卷板厚度為710mm,一般采用Y形坡口,坡口深度13 mm,鈍邊57 mm;厚度1014 mm,采用X形坡口,坡口深度24 mm,鈍邊68 mm;厚度1417.5 mm,采用X形坡口,坡口深度36 mm,鈍邊710 mm。

在埋弧焊接過程中,焊縫金屬主要由母材和焊絲熔化堆積而成,所以為了降低焊縫高度,改善焊縫和鋼管表面的過渡角,坡口角度的確定應考慮焊絲的熔化速度(受焊接電流影響),它們之間的關系見(1)式。

S=Σ(πv 1 R2)/v-S 1,(1)式中:S—坡口橫截面積;

v 1—送絲速度;

R—焊絲半徑;

v—焊接速度;

S 1—焊縫余高橫截面積。

研究發現,坡口橫截面積S與焊縫余高橫截面積S 1之比在(46)10,焊縫形貌相關參數最佳。

2.2焊接規范對焊縫形貌的影響

(1)前絲電流

前絲電流主要影響焊縫的熔深,但由于焊接電流又是送絲速度的直接反應,決定著焊絲的填充量,所以必須研究前絲電流對焊縫形貌的影響。試驗工藝規范見表2。

試驗結果如圖4所示。從圖4可以看出,在相同的工藝條件和一定的電流范圍內,由于前絲電流增大,熔深增加,前絲熔化量也增加,焊縫余高增加,熔寬變化不明顯,焊縫與母材過渡角呈減小趨勢。

(2)后絲電壓

在前絲焊接使焊縫獲得一定熔深的基礎上,后絲的焊接電壓可有效地改善焊縫形貌,從而獲得優良的焊縫形貌和焊接質量。后絲電壓試驗工藝規范見表3。

試驗結果如圖5所示,從圖5可以看出,在相同的焊接工藝條件和一定的電壓范圍內,后絲電壓增加時,焊縫余高減小,熔寬變寬,過渡角略有增加。

綜上所述,焊縫的熔深主要由前絲完成,所以,對所要求得到的熔深以及焊縫填充金屬基本上由前絲的電流大小決定。后絲的電流大小應使之足以將焊縫填充適當,并防止過燒為宜。一般為了保證熔深,前絲電流比后絲大30%80%。就電壓而言,正常情況下,前絲應采用較低的電壓,以保持穩定的電弧,并得到較大的熔深。后絲電壓將直接影響焊縫的形貌和寬度,一般后絲電壓應比前絲高36 V。

焊接速度對螺旋埋弧焊管焊縫形貌也有很大的影響,隨著高速焊劑和多絲焊的采用,焊接速度得到了較大提高,但焊接速度、電流、電壓等參數之間必須匹配合理。若速度過高,則熱輸入量減少,使熔深、熔寬都有所降低,焊縫余高也有所減小,且速度太快還會造成咬邊、未熔合等缺陷;速度太慢,使得熔深太大,甚至燒穿,而且會造成焊縫余高過高。

2.3焊絲偏心距對焊縫形貌的影響

若內焊絲偏心距過大,相當于下坡焊的工件傾角變大,容易形成中間低兩邊高的“馬鞍形”焊縫。焊絲偏心距越大,焊縫的“馬鞍形”越嚴重,一般在1020 mm范圍內調整。對于外焊,若焊絲偏心距過小,則液態熔池金屬在經過鋼管的最高點時仍未完全結晶,焊縫中間液態金屬會向熔池尾部流動,使焊縫中間增高,形成余高過大或中間有“脊棱”的焊縫;若焊絲偏心距過大,由于是下坡焊,也會形成“馬鞍形”的焊縫形狀,所以應該根據管徑合理計算焊絲偏心距,4為幾種規格鋼管的外焊偏心距。

2.4焊絲傾角對焊縫形貌的影響

在螺旋埋弧焊管生產中,當焊絲在一定的傾角內后傾時,電弧力后排熔池金屬的作用減弱,熔池底部液體金屬增厚,熔深稍有減小,而電弧對熔池前方的母材預熱作用加強,故熔寬增大。從雙絲埋弧焊調整的經驗來看,前絲采用直流前傾,主要是保證焊縫熔深,后絲采用交流后傾,主要來改善焊縫表面形狀。內、外焊的傾角基本一樣,前傾角控制在2°~9°之間,后傾角控制在5°~8°之間。前傾角過小,焊道中間有棱,呈魚脊形狀,且熔合線上有缺陷;后傾角過大,焊道中間會凹陷,且焊道兩側有小夾渣等缺陷。單絲焊接由于是在一次焊接過程中既要獲得一定熔深,又要保證焊道外觀形貌,所以其工藝要求要相對穩定,傾角一般選擇0°~5°。

2.5焊絲伸出長度對焊縫形貌的影響

焊絲長度加長,焊絲的電阻熱增大,焊絲的熔化量增多,焊縫余高增大,焊縫與母材過渡角變小,熔深略有減少,熔合比也減少。焊絲材料的電阻率越高,焊絲越細,伸出長度越大時,這種影響越大。所以,可以利用加大焊絲伸出長度來提高焊絲的熔敷率。為了保證螺旋埋弧焊管焊縫的形狀尺寸,必須限制焊絲伸出長度的允許變化范圍。一般情況下,焊絲伸出長度的最佳范圍為焊絲直徑的69倍。

2.6前后焊絲間距對焊縫形貌的影響

前后焊絲間距過小時,會導致焊縫變窄,熔深加大,焊縫余高顯著增大,并使兩絲電弧的相互影響增加,易產生“粘渣”現象,使焊縫的脫渣性下降。若兩個焊絲間距過大時,會使熔池延長,熔深減少,焊縫加寬,焊縫高度減小。試驗發現,前后焊絲間距為811 mm之間時焊縫形貌較好。因此,一般情況下,鋼管壁厚在12.5 mm以下時,前后絲間距選擇89 mm,壁厚在12.5 mm以上時選擇911 mm。

2.7其他因素對焊縫形貌的影響

除了上述幾種因素對焊縫形貌有影響外,還有其他因素,如在對接焊中改變間隙的大小也可以調整焊縫形貌,壁厚和散熱條件對焊縫的熔寬和余高也有顯著的影響,另外,焊劑的顆粒度和黏度等也會對焊縫形貌產生影響。

3焊縫形貌計算機優化與模擬

在研究中引入計算機技術來優化焊縫形貌,即基于可視化開發工具Visual Basic 6.0中文企業版和Access 2003數據庫管理系統,開發出了螺旋埋弧焊管焊縫形貌優化工藝數據庫,該數據庫包括了影響焊縫形貌的各主要因素,如焊接材料、工藝因素、焊接規范、結構因素等,同時通過對焊縫試樣的圖像處理、數學模型建立、分析計算等得到焊縫試樣的焊縫余高、熔寬、熔深、過渡角、重合量、偏移量等主要焊縫形貌參數,從而達到優化工藝的目的。

另外,針對影響焊縫形貌主要因素的變化,在試驗數據的基礎上,通過計算機進行了焊縫形貌的模擬,如圖6所示。

4結論

通過對螺旋埋弧焊管焊縫形貌的試驗研究和分析,進一步優化了焊接工藝參數,并在實際生產中通過有效控制,使焊縫形貌的主要指標達到了預期目標值,其中焊縫余高可控制在1.32.2mm,過渡角大于110°,重合量大于1.5 mm。由于焊縫形貌的改善,既提高了焊縫質量和防腐質量,又降低了防腐成本,同時也為企業帶來了可觀的經濟效益。

本文標簽:焊管 

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