CN107262883A - 一种x70厚壁直缝钢管的多丝埋弧焊接工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种X70厚壁直缝钢管的多丝埋弧焊接工艺方法，该方法包括对热机械控制工艺轧制的X70高强度低碳微合金管线钢钢板进行坡口加工、制成管状，采用内焊四丝外焊五丝埋弧焊分别进行钢管的内焊和外焊，由于多丝埋弧焊电弧多，电流大，熔池长，因此具有热输入大、熔敷效率高，有充裕的时间供气体和杂质浮出，同时多丝埋弧焊减少了母材的热循环次数，延长了母材热循环的时间，减少焊缝热裂纹及气孔敏感性，焊缝熔深大，易于焊透且焊接速度显著提高，从而显著提高了厚壁钢管的焊接质量和效率。该方法主要适用于30mm～41mm的X70钢级高强度壁厚直缝埋弧焊接钢管的制造，尤其适用于壁厚在35mm以上的深海管线用高强度厚壁直缝埋弧焊接钢管的制造。

Description

一种X70厚壁直缝钢管的多丝埋弧焊接工艺方法
技术领域:
本发明属于低碳微合金管线钢材料的焊接技术，主要涉及一种X70厚壁直缝钢管的多丝埋弧焊接工艺方法，该多丝埋弧焊接工艺方法主要适用于30mm～41mm 的壁厚直缝埋弧焊接钢管的制造，尤其适用于壁厚在35mm以上的深海管线用X70 钢级高强度厚壁直缝埋弧焊接钢管的制造。
背景技术:
焊接技术是现代工业生产中不可缺少的一种加工技术，随着科技和经济的发展，焊接技术日趋向自动化、高速化方向发展。埋弧自动焊工艺具有自动化程度高、焊接速度快，焊缝性能稳定等特点，在管道、锅炉、压力容器、机械、船舶、桥梁结构等大型焊接结构生产中得到广泛应用。近年来，在油气管道领域，为增大输送压力，提高输送效率，长距离石油天然气输送管线用钢不断向高钢级、大壁厚发展。随着钢管壁厚的越来越大，传统的单丝焊接已不能满足生产需要。近几年开发的双丝埋弧焊工艺在制管中也有使用，但是对于厚壁钢管的制造，其效率提高有限。现有制管行业中应用的四丝埋弧焊，其焊接最大厚度在30mm以下，不能满足海洋管道工程等对大壁厚钢管的制管要求，并且一般只能满足-15℃以上低温冲击，不能达到海洋工程常用的-20℃、-40℃低温冲击及CTOD试验要求。五丝埋弧焊接以其高速、高效、性能稳定、质量可靠、适用范围广的特点可大量应用于厚壁直缝埋弧焊接钢管的高速焊管焊接工作。
随着石油勘探重点已由陆地转向海洋，由浅海转向深海，为满足深海管线的抗压溃性能要求，随着水深的增加，钢管的强度和壁厚增大，钢管口径与钢管壁厚的比值(D/t)增大，对管材及其焊缝的综合力学性能要求更高。
随着海洋石油工业走向深水，海洋工程用大壁厚焊接钢管越来越多，为了满足大壁厚、高强度、高韧性焊管在油气输送管线中的市场需求，提高厚壁直缝焊管生产的焊接效率,高热输入量的多丝、高效埋弧自动焊技术逐渐发展起来，并得到越来越广泛的应用。但对于壁厚30mm以上的埋弧焊接钢管，如何提高厚壁埋弧焊接钢管焊接接头的强韧性，并保证焊缝与母材的强韧性匹配；如何在多丝共熔池大线能量焊接条件下解决焊接接头热影响区软化和脆化问题；如何避免或降低厚壁管线钢管的焊接缺陷，是提高高强度直缝埋弧焊接钢管焊接接头韧性，保证焊缝良好形貌，提升焊接效率所需要解决的首要问题。多丝埋弧焊的应用研究已成为焊接工艺研究的热点，特别是多丝高速焊工艺的应用，将为制管行业厂家带来巨大的经济效益。
针对高强度厚壁管线钢管的埋弧焊接工艺，目前发达国家已应用四丝埋弧焊，并致力于五丝埋弧焊的应用研究，而国内则刚刚开始应用四丝埋弧焊。中国专利201110258382.4提及了一种采用JCO成型内焊四丝外焊四丝工艺进行X65 海底管线钢直缝焊管的制造方法。201410724462.8提及了一种适用于X70厚壁直缝钢管焊接的多丝埋弧焊接工艺，主要涉及到36.5mm以下厚壁钢管的制管及多丝焊接工艺。在钢管的焊接工艺上未涉及到40mm以上壁厚的高强度厚壁直缝埋弧焊接钢管的多丝高效埋弧焊接，并且未涉及到具体的焊接工艺方法要求或采用相同的工艺参数设置。
本发明专利涉及到的一种高强度厚壁直缝埋弧焊接钢管的多丝高效埋弧焊接工艺方法，并从焊丝空间位置的排布方法，焊接电流、电弧电压、焊接速度等焊接工艺参数的选择以及焊接材料品种的选用等方面针对高强度厚壁直缝埋弧焊接钢管的埋弧自动化焊接方法进行具体陈述，实现了对壁厚30mm～41mm的X70 钢级高强度厚壁直缝埋弧焊接钢管的高效生产，钢管焊接接头的综合力学性能优异。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种X70厚壁直缝钢管的多丝埋弧焊接工艺方法，通过该方法实现对壁厚30mm～41mm高强度厚壁直缝埋弧焊接钢管的高效生产，钢管焊接接头的综合力学性能优异,-40℃下钢管焊接接头处的焊缝及热影响区的夏比冲击功单值不低于100J；在0℃下管体及焊接接头处的裂纹尖端张开位移 CTOD特征值δm≥0.25mm；焊接接头最大硬度值≤250HV10；焊缝的熔深≥3.0mm；焊接接头具有优异的抗氢致开裂(HIC)及硫化氢应力腐蚀(SSCC)性能。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为一种X70厚壁直缝钢管的多丝埋弧焊接工艺方法，包括的步骤有：对热机械控制工艺(TMCP)轧制的X70 高强度低碳微合金管线钢钢板进行坡口加工、制成管状，钢板厚度为30mm～41mm，且以均匀细小的针状铁素体组织为主；采用内焊四丝外焊五丝埋弧焊分别进行钢管的内焊和外焊，内焊四丝均采用H08C焊丝，外焊五丝均采用H06H1焊丝，焊丝直径全部为φ4mm，内焊和外焊焊接时采用SJ101H1高碱型焊剂。
所述内焊四丝埋弧焊的1丝设置为前倾，后随的3个丝依次过渡到后倾，并依次增大后倾角：1丝前倾角5°～20°,2丝前倾角0°～3°,3丝后倾角5°～ 20°,4丝后倾角15°～30°；外焊五丝埋弧焊的1丝设置为前倾，后随的4个丝依次过渡到后倾，并依次增大后倾角：1丝前倾角5°～20°,2丝前倾角0°～ 3°,3丝后倾角5°～20°,4丝后倾角15°～30°,5丝后倾角25°～40°。
所述钢管进行内焊和外焊时采用直流电源(DC)-交流电源(AC)混合的焊接电源配置，内焊四丝埋弧焊电源采用DC-AC-AC-AC的混合配置，外焊五丝埋弧焊电源采用DC-AC-AC-AC-AC的混合配置，设定AC电源间的电流相位差为90°。
所述内焊四丝和外焊五丝中相邻各焊丝之间的丝间距为15～30mm。
所述内焊四丝和外焊五丝中各焊丝伸出长度为焊丝直径的6～9倍。
所述内焊和外焊的焊接电流和电弧电压按照1丝大电流、小电压逐步过渡到最后丝小电流、大电压的方式进行设置。
所述1丝的电流在焊接电源容量许可时，选择大电流，后面的几根焊丝的电流按前一丝电流的70％～90％比例进行选择。
所述1丝的电压在电弧稳定燃烧时，电压为31～34V，后随几根焊丝的电压依次增大1～3V,最后丝的电弧电压为39～43V。
本发明的有益效果：
1、本发明通过采用直流电源(DC)-交流电源(AC)混合的焊接电源配置，内焊四丝埋弧焊采用DC-AC-AC-AC的混合配置，外焊五丝埋弧焊采用 DC-AC-AC-AC-AC的混合配置，并设定AC电源间的电流相位差为90°，有效降低了多丝焊接时各丝之间电弧的相互干扰，保证了较高的焊接质量；由于多丝埋弧焊电弧多，电流大，熔池长，因此具有热输入大、熔敷效率高，有充裕的时间供气体和杂质浮出，同时多丝埋弧焊减少了母材的热循环次数，延长了母材热循环的时间，减少焊缝热裂纹及气孔敏感性，焊缝熔深大，易于焊透且焊接速度显著提高，从而显著提高了厚壁钢管的焊接质量和效率。
2、本发明通过对内、外焊接各丝的方向及倾斜角度的优化，不但增加了焊缝熔深，并且改善了焊缝形貌；通过将相邻焊丝间距优化在15～30mm，有效改善了电弧的稳定性及焊缝形貌；焊丝伸出长度主要影响焊缝余高和熔合比，经焊接试验得出，焊丝伸出长度取6d～9d(d为焊丝直径)较为适宜。
3、本发明内焊四丝均选用H08C焊丝，外焊五丝均选用H06H1焊丝，焊丝直径全部为φ4mm的焊丝选用方案，这样不但焊缝实际强度不会因焊材强度降低而下降很多，而且可以大幅度提高焊缝韧性，降低接头裂纹倾向，大大地改善接头焊缝的综合力学性能。另外从提高焊缝韧性和保证焊缝良好形貌的角度考虑，内焊和外焊全部匹配具有颗粒细、熔点高、黏度适中、稳弧性好的SJ101H1高碱型焊剂，这种焊材匹配方式不但提高了焊接接头的韧性，而且保证了焊接接头具有良好形貌。
4、采用本发明的高强度厚壁直缝埋弧焊接钢管的多丝高效埋弧焊接工艺方法，实现对壁厚30mm～41mm高强度厚壁直缝埋弧焊接钢管的高效生产，钢管焊接接头的综合力学性能优异。-40℃下钢管焊接接头处的焊缝及热影响区的夏比冲击功单值不低于100J；在0℃下管体及焊接接头处的裂纹尖端张开位移CTOD 特征值δm≥0.25mm；焊接接头最大硬度值≤250HV10；焊缝的熔深≥3.0mm；焊接接头具有优异的抗氢致开裂(HIC)及硫化氢应力腐蚀(SSCC)性能。钢管性能达到深水油气管道用X70钢级厚壁钢管的主要性能指标要求。
附图说明：
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1为内焊四丝焊枪位置调节示意图位置示意图。
图2为外焊五丝焊枪位置调节示意图位置示意图。
图3为焊接接头硬度检验位置示意图。
图4为焊接接头试样720小时腐蚀试验后表面宏观照片。
图5焊接接头试样96小时腐蚀试验后表面宏观照片。
附图标记说明：S为焊丝间距，h为焊丝伸长量，J为焊丝倾斜角度；4-1、 4-2、4-3、4-4分别为内焊四丝焊枪的1丝、2丝、3丝和4丝焊枪；5-1、5-2、 5-3、5-4、5-5分别为外焊五丝焊枪的1丝、2丝、3丝、4丝和5丝焊枪；a为母材、b为热影响区、c为焊缝。
具体实施方式：
下面结合具体X70φ762×36.5mm直缝埋弧焊接钢管的内焊四丝、外焊五丝的多丝埋弧焊接工艺实例对本发明做进一步详细的说明。
1、采用热机械控制工艺(TMCP)轧制的X70高强度低碳微合金管线钢钢板，钢板壁厚为36.5mm。板材的化学成分(质量百分比)为：C 0.05％，Si 0.24％， Mn 1.45％，P0.009％，S 0.001％，Ni 0.24％，Cr 0.24％，Cu 0.21％，Mo 0.20％， Nb 0.07％，V0.0067％，Ti 0.016％，B 0.0003％，N 0.004％，碳当量Ceq为 0.41，冷裂纹系数Pcm为0.17。钢板的显微组织为以均匀细小的针状铁素体为主，板材具有较高的强度、低温韧性和焊接性能。
2、采用直流电源(DC)-交流电源(AC)混合的焊接电源配置。内焊四丝埋弧焊电源采用DC-AC-AC-AC的混合配置，外焊五丝埋弧焊电源采用 DC-AC-AC-AC-AC的混合配置，设定AC电源间的电流相位差为90°。
3、如图1-2所示，设定内焊四丝埋弧焊的1丝为前倾，后随的3个丝依次过渡到后倾，并依次增大后倾角：1丝前倾角12°,2丝前倾角2°,3丝后倾角 15°,4丝后倾角25°；设定外焊五丝埋弧焊的1丝为前倾，后随的4个丝设置为依次过渡到后倾，并依次增大后倾角：1丝前倾角10°,2丝前倾角2°,3丝后倾角10°,4丝后倾角20°,5丝后倾角30°。
4、设定内焊四丝埋弧焊的丝间距设置为：1丝～2丝的间距20mm，2丝～3 丝的间距20mm，3丝～4丝的间距18mm；外焊五丝埋弧焊的丝间距设置为：1丝～ 4丝的间距设置为等间距18mm，4丝～5丝的间距16mm。
5、设定内焊四丝的各焊丝伸出长度为28mm，外焊五丝的各焊丝伸出长度为 32mm。
6、设定焊接电流、电弧电压。1丝的电流在焊接电源容量许可的情况下，尽可能选择大电流，以保证在获得足够熔深的情况下提高焊接速度。后面的几根焊丝的电流按前一丝电流的70％～90％比例进行选择，坡口较大需要较多的焊丝熔敷金属时，选择比例上限；若需降低焊缝余高减少熔敷金属量时，选择比例的下限。在保证电弧稳定燃烧的情况下，1丝应尽可能选择较小电压，以增加1丝电弧的熔深，经焊接试验优化，一般在31～34V范围内较佳，焊接电流较大或焊丝较粗时可选择上限，反之选择下限；后随几根焊丝的电压按依次增大1～3V进行选择,最后丝的电弧电压一般在39～43V范围内。采用内焊四丝、外焊五丝的多丝埋弧自动焊焊接工艺，按照先内焊后外焊的焊接工艺顺序分别进行焊接。
内焊四丝的焊接工艺参数为：第1丝电流1200A，电压33V；第2丝电流1000A，电压35V；第3丝电流850A，电压37V；第4丝电流600A，电压39V。外焊五丝的焊接工艺参数为：第1丝电流1200A，电压33V；第2丝电流1000A，电压34V；第3丝电流900A，电压37V；第4丝电流800A，电压38V；第5丝电流750A，电压40V。
7、设定焊接速度。根据钢管的壁厚36.5mm，坡口型式X型，钝边12mm，外焊坡口深度13.5mm，内焊坡口深度11mm，内、外坡口角度为60°以及设定的焊接电流和坡口形式与尺寸等综合因素，设定内焊四丝和外焊五丝的焊接速度为 130～140cm/min。
8、选择焊接材料。内焊四丝均选用H08C焊丝，外焊五丝均选用H06H1焊丝，焊丝直径全部为φ4mm；内焊和外焊全部匹配SJ101H1高碱型焊剂。
表1至表7分别给出的是本实例的钢管实物的管体及焊接接头的拉伸性能、 CTOD性能、焊接接头的夏比冲击性能、硬度以及外观尺寸和焊接接头的氢致开裂和抗硫化物应力腐蚀开裂试验的检测结果，结合图3至图5，可看出，利用本发明的厚壁管线线钢管多丝埋弧焊接工艺制造出X70钢级、管径为Φ762mm、壁厚为36.5mm的深海用高强度厚壁直缝埋弧焊接钢管，钢管焊接接头不但具有强度高、低温韧性和耐腐蚀性能优良等性能特点，而且具有良好的外观形貌，达到相关技术指标的要求。
表1 钢管拉伸性能试验结果
表2 焊接接头裂纹尖端张开位移(CTOD)试验结果
表3 焊接接头夏比冲击试验结果
表4 焊接接头硬度试验结果(HV10)
表5 焊接接头外观尺寸检测结果
表6 焊接接头抗氢致开裂(HIC)试验结果
表7 焊接接头硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)试验结果
。

Claims (8)

1.一种X70厚壁直缝钢管的多丝埋弧焊接工艺方法，其特征在于：包括的步骤有：对热机械控制工艺轧制的X70高强度低碳微合金管线钢钢板进行坡口加工、制成管状，钢板厚度为30mm～41mm，且以均匀细小的针状铁素体组织为主；采用内焊四丝外焊五丝埋弧焊分别进行钢管的内焊和外焊，内焊四丝均采用H08C焊丝，外焊五丝均采用H06H1焊丝，焊丝直径全部为φ4mm，内焊和外焊焊接时采用SJ101H1高碱型焊剂。
2.根据权利要求1所述的一种X70厚壁直缝钢管的多丝埋弧焊接工艺方法，其特征在于：所述内焊四丝埋弧焊的1丝设置为前倾，后随的3个丝依次过渡到后倾，并依次增大后倾角：1丝前倾角5°～20°,2丝前倾角0°～3°,3丝后倾角5°～20°,4丝后倾角15°～30°；外焊五丝埋弧焊的1丝设置为前倾，后随的4个丝依次过渡到后倾，并依次增大后倾角：1丝前倾角5°～20°,2丝前倾角0°～3°,3丝后倾角5°～20°,4丝后倾角15°～30°,5丝后倾角25°～40°。
3.根据权利要求1所述的一种X70厚壁直缝钢管的多丝埋弧焊接工艺方法，其特征在于：所述钢管进行内焊和外焊时采用直流电源-交流电源混合的焊接电源配置，内焊四丝埋弧焊电源采用DC-AC-AC-AC的混合配置，外焊五丝埋弧焊电源采用DC-AC-AC-AC-AC的混合配置，设定AC电源间的电流相位差为90°。
4.根据权利要求1所述的一种X70厚壁直缝钢管的多丝埋弧焊接工艺方法，其特征在于：所述内焊四丝和外焊五丝中相邻各焊丝之间的丝间距为15～30mm。
5.根据权利要求1所述的一种X70厚壁直缝钢管的多丝埋弧焊接工艺方法，其特征在于：所述内焊四丝和外焊五丝中各焊丝伸出长度为焊丝直径的6～9倍。
6.根据权利要求1所述的一种X70厚壁直缝钢管的多丝埋弧焊接工艺方法，其特征在于：所述内焊和外焊的焊接电流和电弧电压按照1丝大电流、小电压逐步过渡到最后丝小电流、大电压的方式进行设置。
7.根据权利要求6所述的一种X70厚壁直缝钢管的多丝埋弧焊接工艺方法，其特征在于：所述1丝的电流在焊接电源容量许可时，选择大电流，后面的几根焊丝的电流按前一丝电流的70％～90％比例进行选择。
8.根据权利要求6所述的一种X70厚壁直缝钢管的多丝埋弧焊接工艺方法，其特征在于：所述1丝的电压在电弧稳定燃烧时，电压为31～34V，后随几根焊丝的电压依次增大1～3V,最后丝的电弧电压为39～43V。
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