【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 時(shí)電流小，下向焊纖維素焊條易于操 作，具有較高的操作速度(約為堿性焊條的2倍)，是目前管道施工中根 焊主要應(yīng)用的焊條。填充焊、蓋面焊采用藥芯焊絲下向半自動(dòng)焊，藥芯焊 絲與焊條相比具有十分明顯的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。主要是把斷續(xù)的焊接過(guò)程變?yōu)檫B天津大學(xué)工程碩士學(xué)位論文續(xù)的生產(chǎn)方式，從而減少了接頭的數(shù)目提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了能源。再 者電弧熱效率高，加上焊接電流密度比手弧焊大，焊絲熔化快，生產(chǎn)效率 可為手弧焊的35倍，又由于熔深大，焊接坡口可以比手弧焊小，鈍邊 高度可以增大，因此具有生產(chǎn)效率高，周期短，節(jié)能綜合成本低，調(diào)整熔 敷金屬成分方便的特點(diǎn)。藥芯焊絲與焊條比較其優(yōu)勢(shì)見(jiàn)下表2—3。藥芯焊 絲的迅速發(fā)展，除了它具有技術(shù)先進(jìn)外，同時(shí)和它具有良好的經(jīng)濟(jì)性和生 產(chǎn)效率有密切的關(guān)系。焊條因斷續(xù)工作，每根需去掉2030mm的焊條頭， 造成焊材的浪費(fèi)同時(shí)焊機(jī)的空載損耗大浪費(fèi)了電力和時(shí)間。焊條藥皮的重 量系數(shù)約為30％40％，大量的熱被用來(lái)熔化藥皮，而藥芯焊絲的藥芯 重量系數(shù)為15％左右，用于熔化礦物粉的熱量比焊條少，而電流密度比 實(shí)芯焊絲的高，所以熔化速度快，效率高。表23藥芯焊絲與焊條的對(duì)比項(xiàng)目 藥芯焊絲 手工焊條 焊縫成形 極性 好工 飛濺 較小(≤3％) 較小(≤3％) 藝 脫渣性 良好 良好性能 電弧穩(wěn)定性 極佳，無(wú)喘息，斷弧現(xiàn)象 好；偶有喘息，斷弧現(xiàn)象全位置性 良好，操作靈活 良好，操作靈活力學(xué) 熔敷金屬 性能高，可用于重要結(jié)構(gòu) 性能高，可用于重要結(jié)構(gòu) 性能 焊縫質(zhì)量 接頭數(shù)少，焊縫質(zhì)量高 接頭數(shù)多，易產(chǎn)生缺陷耗電量 耗電小，較手工焊條節(jié)電30 耗電多，空載損耗大 填充金屬 ％ 熔深小，需使用大角度坡熔深大，坡口角度小，較手工 口其 熔敷效率 焊條節(jié)省40％它 熔敷速度 90％ 60％對(duì)焊工技術(shù)要求 1409／min 409／min擴(kuò)散氫含量 較低 較高 各類(lèi)焊絲均為低氫材料 堿性焊條為低氫焊材對(duì)于直徑大于609ram、壁厚較大的長(zhǎng)輸管線在埋弧焊使用條件受到限 制的情況下，為獲得施工的高效率和高質(zhì)量，往往首先考慮熔化極氣體保 護(hù)焊、氣體保護(hù)焊可以是自動(dòng)的．也可以是半自動(dòng)的。該方法己使用25 年了，對(duì)于世界上大直徑管線，包括陸上和水下管組都得到廣泛認(rèn)可。在 加拿大、歐洲、中東等國(guó)家和地區(qū)受到普遍重視。該方法廣泛被采用的重天津大學(xué)工程碩士學(xué)位論文要原因是安裝焊接質(zhì)量可以得到保證，尤其是焊接高強(qiáng)度等級(jí)的管線。由 于這種焊接方法含氫量低．加上焊絲的成分和制造要求比較嚴(yán)格、如果韌 性要求高或管線用于輸送酸性介質(zhì)，以這種方法焊接高級(jí)別的鋼管可獲得 穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。值得注意的是，與焊條電弧焊相比，熔化極氣體保護(hù)焊 系統(tǒng)的投資大，設(shè)備和人員要求高，必須考慮所要求的高級(jí)維護(hù)，要考慮 配件和符合衛(wèi)生要求的混合氣體的供應(yīng)。焊條電弧焊+藥芯焊絲半自動(dòng)焊組合焊接方法是西氣東輸建設(shè)主要焊 接方法，同時(shí)有大量經(jīng)過(guò)培訓(xùn)合格的焊接人員和進(jìn)口半自動(dòng)焊設(shè)備；STT 根焊+外焊機(jī)填蓋組合焊接方法是熔化極氣體保護(hù)焊，STT根焊是半自動(dòng)， 外焊機(jī)填蓋是自動(dòng)的，非常適宜在平原、沙漠地帶施工，尤其在西北地區(qū) 和中部平原，效率高、質(zhì)量好。因此，本研究采用這兩種組合的焊接方法進(jìn)行試驗(yàn)。2．3焊接材料2．3．1焊接材料的選擇 本研究采用不同的焊接材料對(duì)X70管線鋼管進(jìn)行環(huán)縫焊接。 焊接材料的選用原則是對(duì)于普通結(jié)構(gòu)鋼，通常要求焊份金屬與母材等強(qiáng)度，應(yīng)選用抗拉強(qiáng)度等于或高于母材的強(qiáng)度的焊條；對(duì)于 合金結(jié)構(gòu)鋼通常要求焊縫金屬的主要合金成分與母材金屬相同或 相近；被焊結(jié)構(gòu)剛性較大，接頭應(yīng)力高，焊縫容易產(chǎn)生裂紋的情況 下，可以考慮選用比母材強(qiáng)度低一級(jí)的焊條；當(dāng)母材中C、S、P等 元素含量偏高，焊縫容易產(chǎn)生裂紋，應(yīng)選用抗裂性能好的低氫焊接 材料。因此，選擇焊接材料時(shí)必須考慮到兩方面的問(wèn)題：一要焊縫 不易產(chǎn)生缺陷；二要滿足使用性能的要求。焊接合金結(jié)構(gòu)鋼時(shí)，焊 縫中的主要缺陷是裂紋問(wèn)題。根據(jù)對(duì)微合金控軋鋼的焊接性分析， 這類(lèi)鋼的焊縫金屬的熱裂及冷裂傾向在正常情況下是不大的。因 此，焊接此類(lèi)鋼時(shí)，選擇焊接材料的主要依據(jù)是保證焊縫金屬的強(qiáng) 度、塑性和韌性等力學(xué)性能與母材相匹配。根焊焊條根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用BOHLER公司生產(chǎn)的纖維素焊條 E6010，其強(qiáng)度低于管材強(qiáng)度，不承擔(dān)主要應(yīng)力的作用，主要是在 焊接過(guò)程中保證根部的焊接質(zhì)量，提高施工速度，；主要承擔(dān)應(yīng)力天津大學(xué)工程碩士學(xué)位論文的是填蓋的金屬，并且根據(jù)管材的力學(xué)性能按等強(qiáng)匹配的選擇及國(guó) 內(nèi)外相關(guān)資料選擇自保護(hù)焊絲E71T8．Nil。STT和自動(dòng)焊是熔化極氣體保護(hù)焊，這種焊接方法含氫量 低．加上焊絲的成分和制造要求比較嚴(yán)格，焊縫金屬韌性好，根焊 采用低強(qiáng)匹配，填蓋采用等強(qiáng)匹配。根焊焊絲選用AWS A5．18ER70S．G焊絲，填蓋選用錦泰AWS A5．28 ER80S．G焊絲。 根據(jù)以上原則及分析確定焊接材料如下：方案一為BOHLER FOX CEL AWS A5．1 E6010焊條進(jìn)行根焊，HOBAI玎81N1 AWS A5．29 E71T8Nil自保護(hù)藥芯進(jìn)行填充和蓋面 焊接。方案二為STT進(jìn)行根焊，PAW2000自動(dòng)外焊機(jī)進(jìn)行填充焊和 蓋面焊。根焊采用JM．58 AWS A5．18 ER70S．G焊絲，填充焊和蓋面 焊采用錦泰JM．68 AWS A5．28 ER80S．G焊絲。2．3．2焊接材料各項(xiàng)指標(biāo)復(fù)驗(yàn)按照AWS的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)焊材進(jìn)行了復(fù)驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2表25， 試驗(yàn)結(jié)果表明焊材均符合AwS的規(guī)定。表2—4 焊接材料的化學(xué)成分(wt％)直徑牌號(hào) C Mn Si P S Ti Cr Ni V Mo Cu(ram)E60100．20 1．20 1．00 0．20 O．30 O．08 O．30標(biāo)準(zhǔn)值BOHLER4．0 0．08 0．47 O．13 O．01 O．Oll O．02 0．07 O．0lE6010E7lT8．NilO．12 1．50 O．80 O．03 O．03 0．15 O．8．1．O 0．35標(biāo)準(zhǔn)值HOBART2．0 0．04 O．87 O．06 0．012 0．004 0．04 O．88 O．01 0．0281N1ER70S．G 標(biāo)準(zhǔn)不做要求JM．58 1．2 O．08 1．63 O．69 0．014 0．002 O．15 0．1 3ER80S．G 標(biāo)準(zhǔn)不做要求JM．68 1．O O．08 】．62 0．72 0．0l 5 0．003 O．17 0．17天津大學(xué)工程碩士學(xué)位論文表2．5 焊接材料熔敷金屬的力學(xué)性能夏比沖擊吸收功o l(MPa) 0 b(MPa) 6(％)直徑 沖擊功(J)牌號(hào) 溫度(mm) 標(biāo) 實(shí) 標(biāo) 實(shí) 標(biāo) 實(shí)(℃) 標(biāo)準(zhǔn)值為27J準(zhǔn) 測(cè) 準(zhǔn) 測(cè) 準(zhǔn) 測(cè)BOHLER4．0 330 437 430 538 22 28 —29 116E6010HOBART2．0 400 427 480 524 22 28 —40 298 299 29681N1JM一58 1．2 400 520 480 610 22 28 ．20 80 90 86JM一68 1．O 470 580 550 640 20 26 ．20 152 132 1 562．4焊接工藝根據(jù)上述焊接方法和焊接材料的選用，確定了兩種工藝方案。2．4．1工藝方案一1)坡口型式 工藝方案一坡口型式如圖22所示．2)工藝參數(shù) 所用的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表26。表26 工藝方案一焊接工藝參數(shù)焊接電 焊接電 送絲速 焊接速 直徑 極焊道 焊材牌號(hào) 流 壓 度 度(ram) 性(A) (V) (in／min) (cm／min)BOHLER DC根焊 4．0 70130 24．37 9．1 5E6010HOBART DC填充焊 2．O 160．270 17．22 70．130 17．2581NlHOBART DC蓋面焊 2．O 150．260 17．22 70．130 12．2581N1DC一表示焊條或焊絲接負(fù)3)工藝要求焊接方向：下向 每層焊工數(shù)：2—4名 層間溫度：≥IOOC。天津大學(xué)工程碩士學(xué)位論文焊后熱處理：無(wú) 焊條烘干：按廠家要求 焊絲烘干：無(wú) 填充，蓋面焊絲伸出長(zhǎng)度：焊絲直徑的1015倍 根焊與填充焊時(shí)間間隔：不大于10rain 加熱溫度：／100C。且不得超過(guò)管體防腐層所許可的容限溫度4)施焊環(huán)境要求 環(huán)境溫度：大于5C。 環(huán)境濕度：小于90％RH環(huán)境風(fēng)速：小于8m／s2．4．2工藝方案二1)坡口型式 工藝方案二的坡口型式如圖2．3所示2)工藝參數(shù) 采用的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2．7。表2．7 工藝方案二焊接工藝參數(shù)焊接電 電弧 送絲 焊接 保護(hù)氣體 焊 焊材 直徑 極流 電壓 速度 速度 流量 道 牌號(hào) (mm) 性 氣體配比A V (m／min) (cm／min) (L／min)Imax2360—根 (7590)％Ar+JM．58 1．2 DC+ 420 16．25 2．54．3．56 9，15 15．25焊 (25l 0)％C02Imin=60—85填(7590)％Ar+充 JM．68 0．9 DC+ 160．240 18．25 7．12 17—25 15—25(251 0)％C02 焊蓋(75—90)％Ar+面 JM．68 O．9 DC+ 150．230 18．24 6．10 12—25 15．25(25—1 0)％C02焊DC+表示焊條或焊絲接正3)工藝要求天津大學(xué)工程碩士學(xué)位論文焊接方向：下向 每層焊工數(shù)：2—4名 層間溫度：≥IOOC。 焊后熱處理：無(wú) 焊絲烘干：無(wú) 填充，蓋面焊絲伸出長(zhǎng)度：焊絲直徑的8一15倍 根焊與填充焊時(shí)間間隔：不大于lOmin 加熱溫度：≥IOOC。且不得超過(guò)管體防腐層所許可的容限溫度4)施焊環(huán)境要求環(huán)境溫度：大于5C。 環(huán)境濕度：小于90％RH 環(huán)境風(fēng)速：小于2m／s．。，薩。I：； ≮：圖22工藝方案一坡口型式 圖2．3工藝方案二坡口型式2．4．3方案分析(1)、焊接方向 對(duì)于以上方案中，主要采用下向焊方法。傳統(tǒng)手工上向焊方法由于焊接速度慢、焊接質(zhì)量低己不再適宜在大口徑的長(zhǎng)輸管道建設(shè)中應(yīng)用，而纖 維素根焊上向焊主要用于連頭碰死口，主線路中采用纖維素下向焊接，主 要是利用其根焊適應(yīng)性強(qiáng)，根焊速度快，工人容易掌握，有較大的熔透能 力和優(yōu)異的填充間隙性能，對(duì)管子的對(duì)口間隙要求不很?chē)?yán)格，焊縫背面成 形好，氣孔敏感性小，容易獲得高質(zhì)量的焊縫，射線探傷合格率高；自保 護(hù)藥芯焊絲的焊接工藝性能優(yōu)良，電弧穩(wěn)定，成形美觀，能實(shí)現(xiàn)全位置(下 向)焊接； STT焊接工藝和全自動(dòng)氣體保護(hù)焊工藝都是以氣體為保護(hù)、 短路過(guò)渡為主要特點(diǎn)，下向焊時(shí)熔池體積小、可實(shí)現(xiàn)全位置焊接。這四種 方法焊接時(shí)都按從上向下的方向施焊，具有焊接熱量損失小，焊接速度 快，焊接質(zhì)量好，施焊時(shí)直拖而下，易于操作。焊縫表面平滑，飛濺較 少，熔深適中，熔敷效率高。天津大學(xué)工程碩士學(xué)位論文(2)焊接坡口 焊縫金屬的力學(xué)性能取決于兩個(gè)因素：一是化學(xué)成分；二是組織的過(guò)飽和度。焊縫化學(xué)成分不僅取決于焊接材料，而且與母材的熔入量即熔合比有很大關(guān)系；而焊縫組織的過(guò)飽和度則與冷卻速度有很大關(guān)系。因此， 當(dāng)所用的材料完全相同，但由于熔合比不同或冷卻速度不同時(shí)，所得焊縫 的性能也會(huì)出現(xiàn)很大差別。焊接材料成分的選擇應(yīng)考慮到板厚和坡口形式 的影響。大坡口對(duì)接焊時(shí)，由于母材溶入量較少，焊縫強(qiáng)度可能達(dá)不到要 求，故工藝上采用小坡口對(duì)接焊。通常管線焊接坡口角度為55。60。， 根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，大口徑、大壁厚管線坡口角度采用40。一50。時(shí)，既 節(jié)省焊接材料、降低焊接工作量、提高施工速度，又可保證焊接強(qiáng)度，因 此，工藝方案一采用坡口角度40。50。，工藝方案二采用復(fù)合坡口，主 要考慮STT半自動(dòng)根焊時(shí)焊槍的深入角度和擺動(dòng)，故底部采用55。65。 的坡口角度，以利于焊槍深入擺動(dòng)，上部考慮自動(dòng)焊機(jī)機(jī)頭的擺動(dòng)范圍及 節(jié)省材料，所以采用26。一30。的坡口。(3)施工環(huán)境1)環(huán)境溫度 不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)施工環(huán)境有不同的要求。GB5023698《現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定： 當(dāng)焊件溫度低于O39。C時(shí)，所有鋼材的焊縫應(yīng)在始焊處lOOmm范圍內(nèi)預(yù)熱到15℃以上。 ’．SY 04022000《石油天然氣站內(nèi)工藝管道施工及驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定常用 管材允許焊接的最低環(huán)境溫度：低碳鋼為20℃，低合金鋼為一15℃，低合 金高強(qiáng)鋼為一5℃。JB47092000《鋼制壓力容器焊接規(guī)程》規(guī)定；焊件溫度在一20℃以下不得焊接，焊件溫度在0—20℃時(shí)，應(yīng)在始焊初lOOvan范圍內(nèi)預(yù)熱到15℃以上。O／SY XQ42003《西氣東輸管道工程焊接施工及驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定：環(huán) 境溫度低于5C時(shí)，無(wú)有效的保護(hù)措施