CN105772910A - 超高强度高韧性x120级管线钢环形焊缝的焊接工艺 - Google Patents

超高强度高韧性x120级管线钢环形焊缝的焊接工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超高强度高韧性X120级管线钢环形焊缝的焊接工艺，工艺步骤如下：(1)准备母材；(2)准备焊丝；(3)铣边；(4)除锈除油；(5)调节保护气体；(6)组对；(7)启动焊机；(8)点固；(9)预热；(10)根焊；(11)除去渣皮和飞溅；(12)控制层间温度；(13)热焊；(14)除去渣皮和飞溅；(15)控制层间温度；(16)第一次填充焊；(17)除去渣皮和飞溅；(18)控制层间温度；(19)第二次填充焊；(20)除去渣皮和飞溅；(21)控制层间温度；(22)盖面焊；(23)除去渣皮和飞溅。本发明在确保焊接质量满足使用性能要求的同时，明显改善焊接热影响区的晶粒粗化和焊接接头的软化；有利于减少焊接材料的用量，提高焊接效率，降低焊接制造成本；且具有移动性好和适应性广的优点，可适应各种各样复杂的野外施工条件。

Description

超高强度高韧性X120级管线钢环形焊缝的焊接工艺
技术领域
本发明属于管线钢焊接技术领域，特别是涉及一种超高强度高韧性X120级管线钢环形焊缝的焊接工艺。
背景技术
随着世界范围内石油和天然气需求量的日益增长，选用更为安全、经济可靠的管线钢来降低长距离油气输送管线的建设成本，以及提高输运过程的稳定性、可靠性和安全性显得越来越重要。X120级管线钢与目前管线工程中广泛使用的X80级管线钢相比，在强度上提高了40％，对于降低输送管线的建设成本和确保管道输运的安全具有明显的效果。因此，在不久的将来，超高强度高韧性X120级管线钢将成为石油和天然气输运管线建设的主要用钢。
始于1993年，美国埃克森美孚石油公司(ExxonMobil)开始着手X120超高强度管线钢的研发，但截至目前，世界范围内生产X120级管线钢板材的企业还为数不多：国外主要有美国埃克森美孚石油公司、日本新日铁(NSC)、住友金属(SMI)、韩国浦项钢铁(POSCO)和欧洲钢管(EuropePipe)，国内生产过X120级管线钢板材的有宝山钢铁股份有限公司(超高强度高韧性X120管线钢及其制造方法，专利号：CN101165203A)、武汉钢铁集团公司(低裂纹敏感性高韧性X120管线钢及其制造方法，专利号：CN101649425A)、首钢总公司(一种X120级管线钢及其热轧板卷的生产方法，CN102851617A)和莱芜钢铁集团有限公司(X120高钢级管线钢热轧钢板及其制备方法，专利号：CN103695808A)。
总体来看，目前对X120级管线钢的研究还主要集中在合金成分设计与控轧控冷板材制造工艺(专利号：CN101165203A；CN101649425A；CN102851617A；CN103695808A；一种厚规格X120管线钢热轧卷板的低温卷取方法，CN102962296A)、从板材到钢管的成型工艺与制管过程中纵向焊缝的埋弧焊接工艺(一种X120管线钢所制直缝埋弧焊管及其制造工艺，CN101205596A；X120钢级螺旋缝埋弧焊管的制造方法，CN102205458A)和X120钢焊接用埋弧焊丝焊剂(一种超高强度管线钢用埋弧焊焊丝及其制备方法，CN102069320A；用于X120管线钢焊接的药芯焊丝及其制备方法，CN104741816A)的开发和研究。而关于X120级管线钢管口与管口之间环形焊缝的组对焊接工艺，除国际发明专利“对接焊缝和使用熔焊和搅拌摩擦焊的制造方法”(专利号：102264502A)中介绍了一种熔化焊接+搅拌摩擦焊接工艺外，没有查阅到关于X120级管线钢环形焊缝的焊接工艺的有关专利和文献资料。
国际发明专利(专利号：102264502A)中环形焊缝的焊接中，根部焊缝采用的是熔化极气体保护焊接工艺从管道内侧施焊，其余部分采用的是搅拌摩擦焊接工艺从管道外侧施焊。该工艺的不足之处有：采用了两套焊接设备，一套是熔化焊接系统，另一套是固相连接的搅拌摩擦焊接系统；而搅拌摩擦焊接系统的野外施工可操作性和灵活性非常受限，因而限制了该工艺在实际野外铺管施工作业中的可行性；整套工艺成本太高。因为搅拌摩擦焊是由搅拌头与母材之间的摩擦生热使焊缝金属达到塑性状态从而形成固相连接的。要使屈服强度在870MPa以上的X120级管线钢达到塑性状态，搅拌头的强度、硬度和使用寿命等都会面临极大的挑战，因而搅拌头的消耗量非常大，这也是目前搅拌摩擦焊接工艺还不能在钢铁焊接领域中获得大规模应用的瓶颈问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高强度高韧性X120级管线钢环形焊缝的焊接工艺，以便能够克服上述不足，提供一种更好的方式。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种超高强度高韧性X120级管线钢环形焊缝的焊接工艺，工艺步骤如下：
(1)准备母材：被焊母材是直径为916mm、厚度为16mm的X120直缝埋弧焊管；
(2)准备焊丝：焊接材料是直径为1.2mm的实心焊丝，牌号为AWSA5.28ER120S-G；
(3)铣边：管口与管口之间的坡口设计为双V型复合结构：第一个V型坡口角度为45°，第二个V型坡口角度为5°；
(4)除锈除油：先用钢丝刷或砂轮去除待焊区及其附近的铁锈，再用脱脂棉蘸取丙酮溶液除去坡口两侧的油污；
(5)调节保护气体：保护气体是氩气和二氧化碳的混合气体，混合比例为Ar:CO2＝85:15，气体流量为25L/min，保护气体比例和流量可通过气瓶流量阀控制；
(6)组对：将两段X120直缝焊管组对好，确保焊管上的纵向焊缝呈90度角，管口与管口之间的间隙控制在1.5mm以内；
(7)启动焊机：启动脉冲熔化极气体保护焊接系统；
(8)点固：用脉冲熔化极气体保护焊工艺对焊管进行点焊固定，共计四个点固位置，呈十字分布在焊管上，利用砂轮对点固焊点进行修整；
(9)预热：采用氧乙炔火焰加热法预热根焊区及其附近区域，预热温度控制在120℃～150℃，用手持式远红外测温仪检测预热温度；
(10)根焊：根焊层采用脉冲熔化极气体保护焊接工艺在管道内部施焊，焊接电流为230A～250A，电弧电压为23V～27V，送丝速度为7.5m/min～8.5m/min，焊接速度为1.1～1.3m/min；
(11)除去渣皮和飞溅：利用砂轮和钢丝刷除去焊道和坡口两侧的渣皮和飞溅；
(12)控制层间温度：采用氧乙炔火焰加热待焊区及其附近区域，层间温度控制在120℃～150℃，用手持式远红外测温仪检测层间温度；
(13)热焊：热焊层采用脉冲熔化极气体保护焊接工艺在管道外部施焊，焊接电流为230A～250A，电弧电压为23V～27V，送丝速度为7.5m/min～8.5m/min，焊接速度为0.5m/min～0.7m/min；
(14)除去渣皮和飞溅：利用砂轮和钢丝刷除去焊道和坡口两侧的渣皮和飞溅；
(15)控制层间温度：采用氧乙炔火焰加热第一填充焊区及其附近区域，层间温度控制在120℃～150℃，用手持式远红外测温仪检测层间温度；
(16)第一次填充焊：第一填充层采用脉冲熔化极气体保护焊接工艺在管道外部施焊，焊接电流为190A～220A，电弧电压为23V～25V，送丝速度为6.5m/min～7.5m/min，焊接速度为0.4m/min～0.6m/min；
(17)除去渣皮和飞溅：利用砂轮和钢丝刷除去焊道和坡口两侧的渣皮和飞溅；
(18)控制层间温度：采用氧乙炔火焰加热第二填充焊区及其附近区域，层间温度控制在120℃～150℃，用手持式远红外测温仪检测层间温度；
(19)第二次填充焊：第二填充层采用脉冲熔化极气体保护焊接工艺在管道外部施焊，焊接电流为190A～220A，电弧电压为23V～25V，送丝速度为6.5m/min～7.5m/min，焊接速度为0.4m/min～0.6m/min；
(20)除去渣皮和飞溅：利用砂轮和钢丝刷除去焊道和坡口两侧的渣皮和飞溅；
(21)控制层间温度：采用氧乙炔火焰加热盖面焊区及其附近区域，层间温度控制在120℃～150℃，用手持式远红外测温仪检测层间温度；
(22)盖面焊：盖面层采用脉冲熔化极气体保护焊接工艺在管道外部施焊，焊接电流为190A～220A，电弧电压为23V～25V，送丝速度为6.5m/min～7.5m/min，焊接速度为0.4m/min～0.6m/min；
(23)除去渣皮和飞溅：利用砂轮和钢丝刷除去焊道和坡口两侧的渣皮和飞溅，对焊道外形进行适当修整。
该发明的有益效果在于：本发明工艺既可以在确保焊接质量满足使用性能要求的同时，明显改善焊接热影响区的晶粒粗化和焊接接头的软化；并有利于减少焊接材料的用量，提高焊接效率，降低焊接制造成本；且具有移动性好和适应性广的优点，可适应各种各样复杂的野外施工环境条件。
附图说明
图1、本发明实施例中所选用的窄间隙双V型复合坡口示意图。
图2、本发明实施例中“窄间隙双V型复合坡口+脉冲熔化极气体保护焊接工艺”的焊接接头横截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好地理解本发明。
实施例
本实施例中的超高强度高韧性X120级管线钢环形焊缝的焊接工艺，工艺步骤如下：
(1)准备母材，厚度为16mm，主要合金成分的质量百分比为：碳：0.015％～0.060％；锰：1.80％～2.50％；硅：≤0.60％；钛：0.005％～0.03％；铝：≤0.06％；钒：≤0.15％；硼：0.0005％～0.0030％；磷：≤0.015％；硫：≤0.003％；铌：0.043％～0.150％；氮：≤0.012％；铜、镍、铬、钼中的两种或两种以上，其中，铜：≤0.80％；镍：≤1.20％；铬：≤1.20％；钼：≤1.0％；铁和微量杂质：余量；Ceq：0.48～0.52；Pcm：0.18～0.20。
(2)室温平衡组织为贝氏体+马氏体，X120钢中的贝氏体和马氏体均为具有高密度位错的板条形态，因而该钢的屈服强度超过870MPa，抗拉强度超过930MPA，-20℃夏比冲击功不低于220J。
(3)准备管材，直径为916mm的焊管，是由钢板经JCO成型后采用串列四丝埋弧焊接工艺完成纵向直焊缝焊接而制成的。
(4)准备焊丝，采用直径为1.2mm的实芯焊丝，其牌号为AWSA5.28ER120S-G，该焊接材料的主要化学成分和力学性能指标分别见表1和表2。
表1熔敷金属典型化学成分
表2熔敷金属典型力学性能
(5)坡口形状，管口与管口之间的坡口设计为双V型复合结构——第一个V型坡口角度为45°，第二个V型坡口角度控制在5°～8°之间，具体尺寸如图1所示。
(6)除锈除油，先用钢丝刷或砂轮去除待焊区及其附近的铁锈，再用脱脂棉蘸取丙酮溶液除去坡口两侧的油污。
(7)混合气体保护，保护气体是氩气和二氧化碳的混合气体，混合比例为Ar:CO2＝85:15，气体流量为25L/min，可通过气瓶流量阀控制保护气体比例和流量。
(8)组对管口，将两段X120直缝焊管组对好，确保焊管上的纵向焊缝呈90度角，管口与管口之间的间隙控制在1.5mm以内。
(9)启动焊机，启动脉冲熔化极气体保护焊接系统，本例中焊机选用FroniusTPS500i型，该焊机的最大输出电流可达到500A。
(10)点焊固定，用脉冲熔化极气体保护焊工艺对焊管进行点焊固定，共计焊接四个点固位置，呈十字分布在焊管上，利用砂轮对点固焊点进行修整。
(11)焊前预热，采用氧乙炔火焰加热法预热根焊区及其附近区域，预热温度控制在120℃～150℃，用手持式远红外测温仪检测预热温度。
(12)焊接根焊层，根焊层采用脉冲熔化极气体保护焊接工艺在管道内部施焊，焊接电流为230A～250A，电弧电压为23V～27V，送丝速度为7.5m/min～8.5m/min，焊接速度为1.1～1.3m/min。
(13)除去渣皮和飞溅，利用砂轮和钢丝刷除去焊道和坡口两侧的渣皮和飞溅，并对焊道进行适当的修形。
(14)控制层间温度，采用氧乙炔火焰加热待焊区及其附近区域，层间温度控制在120℃～150℃，用手持式远红外测温仪检测层间温度。
(15)焊接热焊层，热焊层采用脉冲熔化极气体保护焊接工艺在管道外部施焊，焊接电流为230A～250A，电弧电压为23V～27V，送丝速度为7.5m/min～8.5m/min，焊接速度为0.5m/min～0.7m/min。
(16)除去渣皮和飞溅，利用砂轮和钢丝刷除去焊道和坡口两侧的渣皮和飞溅，并对焊道进行适当的修形。
(17)控制层间温度，采用氧乙炔火焰加热第一填充焊区及其附近区域，层间温度控制在120℃～150℃，用手持式远红外测温仪检测层间温度。
(18)焊接第一填充层，第一填充层采用脉冲熔化极气体保护焊接工艺在管道外部施焊，焊接电流为190A～220A，电弧电压为23V～25V，送丝速度为6.5m/min～7.5m/min，焊接速度为0.4m/min～0.6m/min。
(19)除去渣皮和飞溅，利用砂轮和钢丝刷除去焊道和坡口两侧的渣皮和飞溅，并对焊道进行适当的修形。
(20)控制层间温度，采用氧乙炔火焰加热第二填充焊区及其附近区域，层间温度控制在120℃～150℃，用手持式远红外测温仪检测层间温度。
(21)焊接第二填充层，第二填充层采用脉冲熔化极气体保护焊接工艺在管道外部施焊，焊接电流为190A～220A，电弧电压为23V～25V，送丝速度为6.5m/min～7.5m/min，焊接速度为0.4m/min～0.6m/min。
(22)除去渣皮和飞溅，利用砂轮和钢丝刷除去焊道和坡口两侧的渣皮和飞溅，并对焊道进行适当的修形。
(23)控制层间温度，采用氧乙炔火焰加热盖面焊区及其附近区域，层间温度控制在120℃～150℃，用手持式远红外测温仪检测层间温度。
(24)焊接盖面层，盖面层采用脉冲熔化极气体保护焊接工艺在管道外部施焊，焊接电流为190A～220A，电弧电压为23V～25V，送丝速度为6.5m/min～7.5m/min，焊接速度为0.4m/min～0.6m/min。
(25)除去渣皮和飞溅，利用砂轮和钢丝刷除去焊道和坡口两侧的渣皮和飞溅，并对焊道外形进行适当修整。图2为本发明实施例中“窄间隙双V型复合坡口+脉冲熔化极气体保护焊接工艺”的焊接接头横截面示意图。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种超高强度高韧性X120级管线钢环形焊缝的焊接工艺，其特征在于：工艺步骤如下：
(1)准备母材：被焊母材是直径为916mm、厚度为16mm的X120直缝埋弧焊管；
(2)准备焊丝：焊接材料是直径为1.2mm的实心焊丝，牌号为AWSA5.28ER120S-G；
(3)铣边：管口与管口之间的坡口设计为双V型复合结构：第一个V型坡口角度为45°，第二个V型坡口角度为5°；
(4)除锈除油：先用钢丝刷或砂轮去除待焊区及其附近的铁锈，再用脱脂棉蘸取丙酮溶液除去坡口两侧的油污；
(5)调节保护气体：保护气体是氩气和二氧化碳的混合气体，混合比例为Ar:CO2＝85:15，气体流量为25L/min，保护气体比例和流量可通过气瓶流量阀控制；
(6)组对：将两段X120直缝焊管组对好，确保焊管上的纵向焊缝呈90度角，管口与管口之间的间隙控制在1.5mm以内；
(7)启动焊机：启动脉冲熔化极气体保护焊接系统；
(8)点固：用脉冲熔化极气体保护焊工艺对焊管进行点焊固定，共计四个点固位置，呈十字分布在焊管上，利用砂轮对点固焊点进行修整；
(9)预热：采用氧乙炔火焰加热法预热根焊区及其附近区域，预热温度控制在120℃～150℃，用手持式远红外测温仪检测预热温度；
(10)根焊：根焊层采用脉冲熔化极气体保护焊接工艺在管道内部施焊，焊接电流为230A～250A，电弧电压为23V～27V，送丝速度为7.5m/min～8.5m/min，焊接速度为1.1～1.3m/min；
(11)除去渣皮和飞溅：利用砂轮和钢丝刷除去焊道和坡口两侧的渣皮和飞溅；
(12)控制层间温度：采用氧乙炔火焰加热待焊区及其附近区域，层间温度控制在120℃～150℃，用手持式远红外测温仪检测层间温度；
(13)热焊：热焊层采用脉冲熔化极气体保护焊接工艺在管道外部施焊，焊接电流为230A～250A，电弧电压为23V～27V，送丝速度为7.5m/min～8.5m/min，焊接速度为0.5m/min～0.7m/min；
(14)除去渣皮和飞溅：利用砂轮和钢丝刷除去焊道和坡口两侧的渣皮和飞溅；
(15)控制层间温度：采用氧乙炔火焰加热第一填充焊区及其附近区域，层间温度控制在120℃～150℃，用手持式远红外测温仪检测层间温度；
(16)第一次填充焊：第一填充层采用脉冲熔化极气体保护焊接工艺在管道外部施焊，焊接电流为190A～220A，电弧电压为23V～25V，送丝速度为6.5m/min～7.5m/min，焊接速度为0.4m/min～0.6m/min；
(17)除去渣皮和飞溅：利用砂轮和钢丝刷除去焊道和坡口两侧的渣皮和飞溅；
(18)控制层间温度：采用氧乙炔火焰加热第二填充焊区及其附近区域，层间温度控制在120℃～150℃，用手持式远红外测温仪检测层间温度；
(19)第二次填充焊：第二填充层采用脉冲熔化极气体保护焊接工艺在管道外部施焊，焊接电流为190A～220A，电弧电压为23V～25V，送丝速度为6.5m/min～7.5m/min，焊接速度为0.4m/min～0.6m/min；
(20)除去渣皮和飞溅：利用砂轮和钢丝刷除去焊道和坡口两侧的渣皮和飞溅；
(21)控制层间温度：采用氧乙炔火焰加热盖面焊区及其附近区域，层间温度控制在120℃～150℃，用手持式远红外测温仪检测层间温度；
(22)盖面焊：盖面层采用脉冲熔化极气体保护焊接工艺在管道外部施焊，焊接电流为190A～220A，电弧电压为23V～25V，送丝速度为6.5m/min～7.5m/min，焊接速度为0.4m/min～0.6m/min；
(23)除去渣皮和飞溅：利用砂轮和钢丝刷除去焊道和坡口两侧的渣皮和飞溅，对焊道外形进行适当修整。
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