摘要：介绍了螺旋埋弧焊管预精焊生产中预焊技术的特点及其焊接设备与焊接工艺。采用两台DC 1000A进口电源、Ar+CO2+O2三元混合气体配比器、英国某公司开发的激光跟踪系统和哈尔滨焊接研究所研制的陶瓷复合喷嘴可自身旋转清渣的大电流MAG空冷焊枪，结合大电流高速MAG焊焊接工艺进行预焊，对预焊后的试样焊缝成形和金相组织进行了分析，并对精焊后试样的焊缝和热影响区进行了冲击性能分析，得到了预期的结果。
关键词：螺旋埋弧焊管；预焊；焊枪；焊道；冲击性能
引 言
随着我国经济与科技的发展，对油气的需求量也越来越大。由于我国油气地区分布差异较大，因此需要将油气输送到部分地区，其使用较多的管道即为直缝埋弧管道，其钢管多采用螺旋埋弧焊接管技术。随着我国油气行业的发展，例如西气东输，川气东送等项目的展开，许多的管道工程也相继展开。为了提高螺旋埋弧管道焊管的质量，许多生产管道的公司开始探讨螺旋缝预精焊焊管生产工艺的方法，其不仅大大提高了生产效率，同时保证了生产产品的质量。
一、螺旋埋弧焊管预焊技术
预精焊技术是目前世界上大直径螺旋缝埋弧焊管生产中最先进的技术，也称两步法生产。预焊焊接示意如图1所示，它是预精焊法生产螺旋缝埋弧焊管的第一步，即钢带在三辊成型机上成型的同时先用高速气体保护焊（MAG）进行连续焊接（预焊），之后在预焊进行的同时用等离子切割机将预焊后的钢管切割成规定长度，然后，将预焊钢管输送到多条精焊生产线进行内外多丝埋弧精焊。
图 1 螺旋缝埋孤焊管预焊接示意图
这种方法摆脱了传统一步法螺旋埋弧焊管生产中成型机的成型速度必须和埋弧焊接速度同步的束缚，预焊速度很快，使得一条预焊生产线可以同时供应多条精焊生产线生产。该方法充分利用了成型和焊接的各自特点，实现了高速成型和低速焊接的有机结合，使生产效率得到大幅提高。而且由于钢管成型和埋弧精焊分开进行，解决了钢管成型和焊接相互干扰的问题。预焊后的钢管坡口两侧相对静止，埋弧精焊质量稳定。避免了传统螺旋埋弧焊钢管生产中焊缝容易出现热裂纹、夹渣等缺陷，同时也缓解了内焊埋弧焊缝的驼形焊道，容易得到高质量的焊缝。预焊作为螺旋缝埋弧焊管预精焊生产方法的第一步，在保持较高的焊接速度的同时，一定要确保焊接质量。预焊的质量影响到后续精焊的质量，因而预焊工序要满足以下几点要求：
（1）焊道要连续，外观成型要避免起伏过大，以利于后续精焊焊接质量的稳定。
（2）保证焊缝有适宜的熔透深度和熔敷量，使预焊后的钢管既不开裂，又不影响精焊工序的焊接质量。
（3）保证有较高的焊接速度，使螺旋焊缝钢管的生产效率得到大幅提高。
二、预焊焊接设备
焊接电源、大电流焊专用焊枪，气体供气系统、激光自动追踪系统以及焊枪夹持结构等组成了预焊的焊接设备。为了满足大电流工况以及能够达到连续预焊的生产工艺要求，采用进口 DC1000A 电源在并联的情况下对预焊进行供电，同时在送气的过程中，采用三元混合
气体配比器进行送气，并采用从英国公司进口的激光跟踪系统进行生产产品合格率的跟踪，保证生产的精度达到设计要求。
为满足大电流、粗丝、高速、连续预焊的要求，焊接电源采用两台进口DC1000A电源并联给同一根焊丝电弧供电，送丝及控制器采用与焊接电源相配套的专用控制器和送丝机，保证送丝过程稳定。采用Ar+CO2+O2三元混合气体配比器。激光跟踪系统采用英国某公司的产品，跟踪精度达到± 0.25mm。焊枪三维跟踪调节滑板安装在成型机的2号悬臂上，焊枪夹持机构安装在三维滑板上伸到2号悬臂前部焊缝处。根据预焊焊接大电流的特点，预焊焊枪国内外均采用全铜质水冷专用焊枪。但是由于预焊过程飞溅较多，焊接一段时间后不得不停机清理飞溅粘渣，不仅增加工人的劳动强度，而且严重影响焊接过程的生产效率和焊接质量。为了解决上述难题，哈尔滨焊接研究所研制出了陶瓷复合喷嘴可自身旋转清渣的大电流MAG空冷焊枪，焊枪结构如图2所示。
图 2 陶瓷复合喷嘴自身旋转清渣空冷焊枪
该焊枪已申报国家发明专利。这种新型焊枪由于一次连续工作时间是原来的5倍左右，清渣时间由原焊枪的15～ 20min减少到30s左右，使螺旋埋弧焊管预焊生产效率提高了20%以上。同时，由于新型焊枪为空冷焊枪，不必配备专用水冷系统，不仅拆装方便，而且节约了生产成本。
三、预焊焊接工艺流程
3.1 坡口形式
预焊的主要作用是钢管成型的定位焊，预焊焊缝虽然是起定位作用的工艺焊缝，在精焊工序时会全部熔化，但是预焊焊道的成形和熔透深度对精焊工序埋弧焊缝的成形和质量会产生很大的影响。特别是螺旋埋弧焊管内焊是在预焊焊缝基础上进行的焊接，预焊焊缝对坡口的填充量会严重影响内焊质量的控制。
例如，当预焊焊缝的填充量较大时会影响到激光跟踪的精度，严重时会使内焊焊缝严重焊偏。内部坡口填充过大，也会使焊道的余高较大，影响钢管的质量。因而，对于螺旋埋弧焊管的生产，坡口形式的选取很重要。螺旋埋弧焊管生产一般选择X形坡口，坡口形式如图3所示。对于薄壁管，坡口角度为90°，钝边为4mm；对于厚壁管，坡口角度小于60°，钝边6～ 10mm，内坡口角度一般小于外坡口角度。表1是钢管规格为 1 219mm× 18.4mm的螺旋埋弧焊管坡口参数。
图 3 螺旋缝埋孤焊管坡口形式
3.2 焊丝和保护气体
预焊焊缝是起定位作用的工艺焊缝，可以采用常规的焊丝和保护气体，但前提是一定要不影响后续精焊焊缝性能。钢管的材质不同，所选用的焊丝也不尽相同。例如X 80管线钢采用特制的CHW - 60C焊丝，如果采用常规焊丝或CHW- 50C焊丝就可能使焊缝的硬度等指标不达标。保护气体根据焊接速度的不同也会有所变化，一般在焊接速度小于4.5m/min时，采用Ar+CO2二元保护气体；而当焊接速度超过4.5m/min时一般采用Ar+CO2+O2三元保护气体，通过加入适当的O2来增加焊接过程的稳定性。但是为了不影响精焊后焊缝的性能指标，O2的比例一般不超过保护气体的5%，因为O2含量较高时容易使焊缝的硬度不达标。
3.3 焊接参数
上述预焊焊接设备自2009年建成投产以来，生产了一批西气东输二线专用大直径螺旋埋弧焊管。例如其主干线用管材质为X 80，管径为1 219mm，壁厚为18.4mm，焊丝采用直径为3.2mm的CHW - 60C焊丝。预焊焊接参数。其支线用管材质为X 70，管径为1 016mm，壁厚为17.5mm，焊丝采用直径为3.2mm的CHW - 60C焊丝。
3.4 预焊焊缝金相组织及性能
表2所示焊接参数下预焊焊缝的断面如图4所示（母材为X 80管线钢），可以看出，焊缝成形良好，焊缝断面呈钟罩形，熔深1.5～ 2mm，焊缝金属填充量合适，能够保证钢管的成型定位不开裂，同时也不会影响后续的激光跟踪和精焊质量。图5所示为焊缝的金相组织照片。从图中可以看出，焊缝的组织主要是板条马氏体，这种焊缝组织的形成可能与焊接速度较快及焊缝金属的冷却速度较快有关。由于板条马氏体不仅具有较高的硬度和强度，同时板条马氏体中的高密度位错是不均匀分布的，存在低密度区，为位错提供了活动的余地，而且其碳含量低，存在“自回火”效应，因而它也具有良好的冲击韧性，预焊焊缝组织不会影响后续精焊焊缝各项性能指标的要求。例如，表3为预精焊焊缝及热影响区的冲击性能。可以看出预精焊焊缝和热影响区在- 10℃的冲击功平均值分别为161J和158J，远远高于标准要求。两者的剪切面积平均值分别为65%和64%，也都满足标准要求的“焊缝剪切面积大于40%，热影响区剪切面积大于30%”。因此，表2的焊接工艺参数适合X 80管线钢的螺旋埋弧焊管预焊工序。
图4 预焊焊缝断面
图5 预焊焊缝金相组织（MD，376HV10）500 ×
四、结语
为提高螺旋埋弧焊管焊接质量和生产效率，哈尔滨焊接研究所研制出了螺旋管预焊和精焊焊接设备与工艺，经过半年多的应用，达到了预期的目的。
（1）预焊工艺：采用粗丝（Φ3.2mm），大电流（650～ 1 000A）MAG焊接，实现了3.5～ 6m/min的高速焊接。
（2）研制出了陶瓷复合喷嘴自身旋转清渣大电流MAG焊空冷焊枪（已申报国家发明专利）。该焊枪一次连续工作时间是原焊枪的5倍左右，清渣时间由15～ 20min减少到30s左右，生产效率提高20%以上，并省去了水冷系统配置费用。
（3）该设备与工艺经过半年多的生产应用，实现了螺旋埋弧焊预焊的连续生产，经后续埋弧精焊后的钢管，比传统螺旋埋弧焊管生产方法（一步法）有明显的优势。焊接质量稳定性得到很大提高，避免了埋弧焊缝热裂纹、夹渣等缺陷的产生，埋弧内焊的驼形焊道得到了有效缓解，同时生产效率是传统螺旋焊管生产方法的2倍以上。实现了螺旋埋弧焊管预精焊设备的国产化，对国家焊管工业的发展和大型油气管线的建设具有十分重要的意义。
参考文献：
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论文作者:朱祥圭
论文发表刊物:《基层建设》2018年第23期
论文发表时间:2018/9/18
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