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螺旋埋弧焊管焊缝形貌优化研究

来源:至德钢业 日期:2020-11-24 22:52:18 人气:987

对影响螺旋埋弧焊管焊缝成型的因素及焊缝成型的特征进行了较为详细的阐述,分析了螺旋埋弧焊管焊接工艺参数对焊缝形貌的影响,针对螺旋埋弧焊管成型焊接特征,试验研究了成型焊接主要工艺参数的变化对焊缝形貌的影响,同时对焊缝形貌进行了计算机优化和模拟,实际生产中取得了满意的效果。

近年来,随着高压、长距离、大直径油气管道的快速发展,对螺旋埋弧焊管提出了更高的要求。不仅要求螺旋埋弧焊管具有优良的理化性能外,还要具有良好的焊道形貌。试验研究表明,螺旋焊管焊缝余高、形貌等是影响管道运行中产生低周疲劳效应的重要因素,焊缝与母材的平滑过渡对于降低高压输气管线的应力集中极为重要。当螺旋焊管用于流体输送时,由于管道承受流体的交变载荷,在低周疲劳作用下,焊缝的几何形状特别是咬边等对管道寿命会产生影响。当母材与焊缝过渡角较小时,焊趾处应力集中,材料容易发生疲劳失效。

随着3PEFBE防腐技术的采用,对螺旋焊管焊缝形貌提出了更高的要求。API SPEC 5LGB/T 9711.2标准规定,在对应的最小壁厚下焊缝高度应分别小于等于3.18 mm3 mm,而西气东输工程、忠武线、双兰线等管线为了满足防腐要求,在补充技术条件中均要求焊缝余高控制在2.5 mm以内。另外,焊缝外形不规则,如出现鱼脊形状,刚涂敷完的钢管通过压辊和旋转辊时,焊缝处的防腐层受压应力和拉应力比别处更大,从而使防腐层减薄甚至开裂。如果焊缝与母材过渡角太小,在防腐中还会出现焊趾处打砂清理不干净,涂敷不到位等,这会引起更严重的质量问题。因此,焊缝形貌直接影响防腐质量和生产成本。

因此,研究螺旋埋弧焊管焊缝形貌影响因素,优化并控制焊缝形貌相关参数,意义非常重要。

1螺旋埋弧焊焊缝成型分析

1.1影响埋弧焊焊缝成型的主要因素

研究表明,焊缝形貌决定于熔池的形状,熔池的形状又与焊接接头的形式和空间位置、焊接坡口形状、间隙尺寸、母材边缘状况、焊丝熔化情况及熔滴的过渡方式等因素有关。从根本上讲,电弧热和熔池的受力情况是影响焊缝成型的主要因素。焊缝形貌和尺寸、焊缝质量以及焊接工艺参数间都存在着内在的联系,焊缝形貌影响着焊缝质量,而焊缝形貌和尺寸又取决于各个焊接工艺参数。

施焊过程中接头形式和空间位置不同,则重力对熔池的作用不同;焊接工艺参数不同,则熔池的体积和熔池的长度等都不相同。平焊位置时熔池处于最稳定的位置,容易得到成型良好的焊缝。在倾斜位置焊接时,由于重力的作用使熔池金属有下淌的趋势,必要时需要限制熔池的尺寸或采取特殊措施控制焊缝的成型,否则易产生焊缝成型缺陷。同时,当坡口和间隙、焊接工艺参数等不合适时,也可能会产生焊缝成型方面的缺陷,如咬边、鱼脊、中凹、未焊透、未熔合、烧穿、气孔、夹渣等。另外,焊剂的碱度、黏度、表面张力、堆积密度、堆积高度、焊剂回收、焊剂流量和流向等也影响着焊缝形貌及其内部缺陷。研究发现,对于氟碱型渣系,为满足焊管的焊接工艺性能,其碱度应控制在1.31.8,热输入电流应小于1 800 A,水玻璃的模数在2.13.0之间。

1.2螺旋埋弧焊管的成型特征

(1)螺旋埋弧焊管生产中成型和焊接是同步进行的,因此焊接质量的好坏与成型的稳定性密不可分。焊缝中常出现的缺陷如偏流、错边、烧穿、咬边甚至气孔、夹渣等都与成型有关。

(2)螺旋埋弧焊与其它埋弧焊不同的是内外焊都在斜坡上完成,且内外焊都是下坡焊,如图1所示。内焊头是在六点钟靠前的位置上,这样就使得内焊缝的熔池无法在水平位置上凝固,焊缝表面容易形成“马鞍形”。外焊头是在十二点钟靠后的位置上,由于金属向前流动,外焊道中间部分易被加厚,形成中凸焊道。

(3)螺旋埋弧焊的另一大特点是多采用双丝焊,熔池热量大,高温停留时间长,这样就促使焊接熔池的冶金反应更加充分。一方面伴随冶金反应产生的H 2CO等有害气体有充分的逸出时间,使焊缝结晶过程中残存的气体大为减少,降低焊缝中产生气孔的敏感性,同时有利于熔渣的浮出,使非金属夹杂物大量减少,脱渣容易,焊缝外形光滑美观。另一方面,由于两个电弧集中加热,熔化金属量多,使焊缝熔深增加,熔宽加宽,可提高焊接速度。

2螺旋埋弧焊管焊接工艺参数对焊缝形貌的影响

焊缝形貌一般是指焊缝的横截面,如图2所示,它的外观几何形状参数主要有焊缝余高C、焊缝熔宽B、焊缝熔深H、焊缝侧面角θ以及内外焊重合量D等。

2.1坡口尺寸对焊缝形貌的影响

针对不同坡口下螺旋埋弧焊管焊缝形貌的变化情况进行平板焊接试验,以研究坡口大小与焊缝形貌的关系。

试验设备为平板焊接试验台、林肯DC1500和林肯AC1200焊机;焊接材料为BG-H08C焊丝(<4 mm,<3.2 mm),BG-SJ101G焊剂;试验板材为武钢L450钢级、厚度11.9 mm卷板。

试验结果如图3所示,可以看出,60°坡口的试样焊缝未填满外,随着坡口角度的增加,焊丝填充空间的扩展,焊缝余高明显降低,熔深、熔宽以及焊缝与母材的过渡角均明显增加,焊缝形貌得到较大改善。

除坡口角度外,要获得良好的焊缝形貌,坡口深度和钝边量控制也很重要。卷板厚度为710mm,一般采用Y形坡口,坡口深度13 mm,钝边57 mm;厚度1014 mm,采用X形坡口,坡口深度24 mm,钝边68 mm;厚度1417.5 mm,采用X形坡口,坡口深度36 mm,钝边710 mm

在埋弧焊接过程中,焊缝金属主要由母材和焊丝熔化堆积而成,所以为了降低焊缝高度,改善焊缝和钢管表面的过渡角,坡口角度的确定应考虑焊丝的熔化速度(受焊接电流影响),它们之间的关系见(1)式。

S=Σ(πv 1 R2)/v-S 1,(1)式中:S—坡口横截面积;

v 1—送丝速度;

R—焊丝半径;

v—焊接速度;

S 1—焊缝余高横截面积。

研究发现,坡口横截面积S与焊缝余高横截面积S 1之比在(46)10,焊缝形貌相关参数最佳。

2.2焊接规范对焊缝形貌的影响

(1)前丝电流

前丝电流主要影响焊缝的熔深,但由于焊接电流又是送丝速度的直接反应,决定着焊丝的填充量,所以必须研究前丝电流对焊缝形貌的影响。试验工艺规范见表2

试验结果如图4所示。从图4可以看出,在相同的工艺条件和一定的电流范围内,由于前丝电流增大,熔深增加,前丝熔化量也增加,焊缝余高增加,熔宽变化不明显,焊缝与母材过渡角呈减小趋势。

(2)后丝电压

在前丝焊接使焊缝获得一定熔深的基础上,后丝的焊接电压可有效地改善焊缝形貌,从而获得优良的焊缝形貌和焊接质量。后丝电压试验工艺规范见表3

试验结果如图5所示,从图5可以看出,在相同的焊接工艺条件和一定的电压范围内,后丝电压增加时,焊缝余高减小,熔宽变宽,过渡角略有增加。

综上所述,焊缝的熔深主要由前丝完成,所以,对所要求得到的熔深以及焊缝填充金属基本上由前丝的电流大小决定。后丝的电流大小应使之足以将焊缝填充适当,并防止过烧为宜。一般为了保证熔深,前丝电流比后丝大30%80%。就电压而言,正常情况下,前丝应采用较低的电压,以保持稳定的电弧,并得到较大的熔深。后丝电压将直接影响焊缝的形貌和宽度,一般后丝电压应比前丝高36 V

焊接速度对螺旋埋弧焊管焊缝形貌也有很大的影响,随着高速焊剂和多丝焊的采用,焊接速度得到了较大提高,但焊接速度、电流、电压等参数之间必须匹配合理。若速度过高,则热输入量减少,使熔深、熔宽都有所降低,焊缝余高也有所减小,且速度太快还会造成咬边、未熔合等缺陷;速度太慢,使得熔深太大,甚至烧穿,而且会造成焊缝余高过高。

2.3焊丝偏心距对焊缝形貌的影响

若内焊丝偏心距过大,相当于下坡焊的工件倾角变大,容易形成中间低两边高的“马鞍形”焊缝。焊丝偏心距越大,焊缝的“马鞍形”越严重,一般在1020 mm范围内调整。对于外焊,若焊丝偏心距过小,则液态熔池金属在经过钢管的最高点时仍未完全结晶,焊缝中间液态金属会向熔池尾部流动,使焊缝中间增高,形成余高过大或中间有“脊棱”的焊缝;若焊丝偏心距过大,由于是下坡焊,也会形成“马鞍形”的焊缝形状,所以应该根据管径合理计算焊丝偏心距,4为几种规格钢管的外焊偏心距。

2.4焊丝倾角对焊缝形貌的影响

在螺旋埋弧焊管生产中,当焊丝在一定的倾角内后倾时,电弧力后排熔池金属的作用减弱,熔池底部液体金属增厚,熔深稍有减小,而电弧对熔池前方的母材预热作用加强,故熔宽增大。从双丝埋弧焊调整的经验来看,前丝采用直流前倾,主要是保证焊缝熔深,后丝采用交流后倾,主要来改善焊缝表面形状。内、外焊的倾角基本一样,前倾角控制在2°~9°之间,后倾角控制在5°~8°之间。前倾角过小,焊道中间有棱,呈鱼脊形状,且熔合线上有缺陷;后倾角过大,焊道中间会凹陷,且焊道两侧有小夹渣等缺陷。单丝焊接由于是在一次焊接过程中既要获得一定熔深,又要保证焊道外观形貌,所以其工艺要求要相对稳定,倾角一般选择0°~5°。

2.5焊丝伸出长度对焊缝形貌的影响

焊丝长度加长,焊丝的电阻热增大,焊丝的熔化量增多,焊缝余高增大,焊缝与母材过渡角变小,熔深略有减少,熔合比也减少。焊丝材料的电阻率越高,焊丝越细,伸出长度越大时,这种影响越大。所以,可以利用加大焊丝伸出长度来提高焊丝的熔敷率。为了保证螺旋埋弧焊管焊缝的形状尺寸,必须限制焊丝伸出长度的允许变化范围。一般情况下,焊丝伸出长度的最佳范围为焊丝直径的69倍。

2.6前后焊丝间距对焊缝形貌的影响

前后焊丝间距过小时,会导致焊缝变窄,熔深加大,焊缝余高显著增大,并使两丝电弧的相互影响增加,易产生“粘渣”现象,使焊缝的脱渣性下降。若两个焊丝间距过大时,会使熔池延长,熔深减少,焊缝加宽,焊缝高度减小。试验发现,前后焊丝间距为811 mm之间时焊缝形貌较好。因此,一般情况下,钢管壁厚在12.5 mm以下时,前后丝间距选择89 mm,壁厚在12.5 mm以上时选择911 mm

2.7其他因素对焊缝形貌的影响

除了上述几种因素对焊缝形貌有影响外,还有其他因素,如在对接焊中改变间隙的大小也可以调整焊缝形貌,壁厚和散热条件对焊缝的熔宽和余高也有显著的影响,另外,焊剂的颗粒度和黏度等也会对焊缝形貌产生影响。

3焊缝形貌计算机优化与模拟

在研究中引入计算机技术来优化焊缝形貌,即基于可视化开发工具Visual Basic 6.0中文企业版和Access 2003数据库管理系统,开发出了螺旋埋弧焊管焊缝形貌优化工艺数据库,该数据库包括了影响焊缝形貌的各主要因素,如焊接材料、工艺因素、焊接规范、结构因素等,同时通过对焊缝试样的图像处理、数学模型建立、分析计算等得到焊缝试样的焊缝余高、熔宽、熔深、过渡角、重合量、偏移量等主要焊缝形貌参数,从而达到优化工艺的目的。

另外,针对影响焊缝形貌主要因素的变化,在试验数据的基础上,通过计算机进行了焊缝形貌的模拟,如图6所示。

4结论

通过对螺旋埋弧焊管焊缝形貌的试验研究和分析,进一步优化了焊接工艺参数,并在实际生产中通过有效控制,使焊缝形貌的主要指标达到了预期目标值,其中焊缝余高可控制在1.32.2mm,过渡角大于110°,重合量大于1.5 mm。由于焊缝形貌的改善,既提高了焊缝质量和防腐质量,又降低了防腐成本,同时也为企业带来了可观的经济效益。

本文标签:焊管 

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