隨著油氣輸送管線設(shè)計(jì)輸送壓力的不斷提高，鋼管向著高鋼級(jí)、大管徑、厚壁厚方向發(fā)展。提高厚壁直縫埋弧焊管的焊接質(zhì)量，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率具有重要意義。在厚壁直縫埋弧焊管的生產(chǎn)中，焊縫夾渣是影響焊縫質(zhì)量的主要缺陷之一，尤其是壁厚25mm以上的直縫埋弧焊管焊縫夾渣較多。渤海裝備巨龍鋼管有限公司(簡稱巨龍鋼管公司)在生產(chǎn)南海天然氣海底管線用X65鋼級(jí)Ф762mm×30.2mm直縫埋弧焊管時(shí)，初期焊縫夾渣比例達(dá)到20%，經(jīng)多次試驗(yàn)及調(diào)整工藝參數(shù)后，夾渣比例降到5%以下，使焊管返修比例降低，生產(chǎn)效率大幅度提高。

    本文著重分析厚壁直縫埋弧焊管焊縫熔合線夾渣產(chǎn)生的原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)建議。

    1、夾渣試樣分析

    對(duì)直縫埋弧焊管有缺陷的部分取樣，通過超聲波手動(dòng)探傷儀確認(rèn)缺陷在焊縫中的位置，用機(jī)械加工的方法加工出缺陷所在的焊縫橫斷面，經(jīng)磨削、拋光、腐蝕后制成金相試樣。通過金相試樣分析發(fā)現(xiàn)，厚壁直縫埋弧焊管焊縫夾渣多位于內(nèi)外焊縫根部熔合線的位置，如圖1所示。

    2、產(chǎn)生夾渣的原因分析

    夾渣是殘留在焊縫內(nèi)部的熔渣。從理論上分析，埋弧自動(dòng)焊焊縫產(chǎn)生夾渣的原因主要有以下3點(diǎn)：①原材料(包括母材、焊絲、焊劑)中夾雜物較多;②多層焊時(shí)層間清理不干凈;③選用的焊接工藝參數(shù)不當(dāng)，不利于熔渣的浮出。

    根據(jù)直縫埋弧焊管的生產(chǎn)特點(diǎn)，可以排除多層焊時(shí)層間清理不干凈而使焊縫產(chǎn)生夾渣這一原因。

    針對(duì)原材料中夾雜物較多而使焊縫產(chǎn)生夾渣，采取焊前檢驗(yàn)?zāi)覆摹⒏鼡Q新焊絲和焊劑等措施后，焊縫熔合線夾渣產(chǎn)生的比例僅略有減少，說明原材料中的夾雜物不是導(dǎo)致夾渣產(chǎn)生的主要原因。

    因此，厚壁直縫埋弧焊管產(chǎn)生熔合線夾渣的主要原因是選用的焊接工藝參數(shù)不當(dāng)。厚壁直縫埋弧焊管的焊接工藝參數(shù)主要有：線能量、焊接電流、焊接電壓、焊接速度、焊絲間距、坡口尺寸等。

    再從焊接冶金學(xué)方面做深入分析可知：焊縫熔合線產(chǎn)生夾渣的原因主要是熔合線溫度過低，使液態(tài)熔渣來不及析出;而導(dǎo)致熔合線溫度過低的原因是加熱的峰值溫度太低或冷卻速度過快。

    點(diǎn)熱源的最高溫度Tm的計(jì)算公式為：

    Tm=2.34×105E/(cpr02) (1)

    式中E——線能量，J/mm;

    c——工件比熱容，J/(g·℃);

    ρ——工件密度，g/mm3;

    r0——某點(diǎn)與熱源中心的距離，mm。

    從式(1)可以看出：焊件上某點(diǎn)的最高溫度Tm與線能量E、該點(diǎn)與熱源中心的距離r0有關(guān)(同一種鋼板的熱物理性能相同，其比熱容c和密度ρ均為定值)。熔池的冷卻速度與線能量、鋼板的熱物理性能、鋼板厚度、坡口尺寸有關(guān)，對(duì)于給定材料，其冷卻速度取決于熱傳播的類型、預(yù)熱溫度T0和單位長度焊縫上的有效熱輸入量Ew，它隨升高溫度T與預(yù)熱溫度T0的差值增加而增加，隨Ew的增加而下降。渤海裝備研究院鋼管研究所趙波等人在研究焊管焊接數(shù)值模擬時(shí)得出的焊接線能量E的計(jì)算公式為：

    E=Kδ (2)

    式中δ——鋼管壁厚，mm;

    K——系數(shù)。

    四絲埋弧焊時(shí)，K值在2.0×102~2.2×102之間，與德國U&S公司的研究結(jié)果K=2.1×102~2.5×102基本相同;而雙絲埋弧焊時(shí)，內(nèi)焊K=2.0×102~2.4×102、外焊K=2.4×102~3.2×102比較合適。由此可以看出：在一定壁厚條件下，焊接線能量基本是定值，過大或過小均會(huì)影響鋼管焊接質(zhì)量。同時(shí)，在線能量一定時(shí)，熔合線上某點(diǎn)的最高溫度由該點(diǎn)與熱源中心的距離決定。在多絲埋弧自動(dòng)焊中，r0與坡口尺寸、1絲電流、電壓、焊接速度有關(guān)。

    在一定范圍內(nèi)，焊縫熔深與1絲電流成正比，焊縫根部熔寬與1絲電壓成正比，當(dāng)1絲的電流或電壓增大時(shí)，r0增大，焊縫根部熔合線的最高溫度降低，焊縫易產(chǎn)生夾渣。直縫埋弧焊管多絲埋弧焊時(shí)，由于焊絲間距較小，一般為16~20mm，多根焊絲形成了一個(gè)沿焊縫方向的綜合熔池，因此后幾根焊絲電流的大小對(duì)焊縫熔深也有一定的影響。

    內(nèi)焊時(shí)受坡口型式的影響，焊縫根部中心區(qū)域的厚度遠(yuǎn)小于根部兩側(cè)的厚度，其冷卻速度也比兩側(cè)的小很多，因此，易在內(nèi)焊縫根部兩側(cè)產(chǎn)生夾渣。

在其他條件相同時(shí)，焊縫熔深隨坡口角度和深度的增大而增大，隨坡口鈍邊尺寸的減小而增大，隨焊接速度的減小而增大。當(dāng)線能量不變時(shí)，隨著焊縫熔深的增大，熔合線最高溫度的降低，焊縫易產(chǎn)生夾渣。

    在直縫埋弧焊管多絲埋弧焊中，焊接速度對(duì)焊縫熔深和熔寬影響較大，焊接速度越快，熔深和熔寬就越小;反之，則越大。

    3、改進(jìn)措施

    針對(duì)上述產(chǎn)生夾渣的原因，巨龍鋼管公司在生產(chǎn)X65鋼級(jí)Ф76mm×30.2mm直縫埋弧焊管時(shí)，對(duì)焊接工藝進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)前后的焊接參數(shù)對(duì)比見表1;修改了焊縫坡口尺寸，修改前后焊縫坡口尺寸如圖2所示;工藝改進(jìn)后焊縫的宏觀形貌如圖3所示。焊接工藝參數(shù)改進(jìn)后，焊縫夾渣比例在5%以下。對(duì)比圖3與圖1發(fā)現(xiàn)：有缺陷的焊縫(圖1)熔深較大，焊縫根部較寬，焊縫呈指形;修改工藝后的焊縫(圖3)根部窄，上部寬，呈三角形。

    在生產(chǎn)Ф762mm×28.6mm、Ф1016mm×26.2mm、Ф1219mm×27.0mm焊管時(shí)，采取上述措施減少焊縫夾渣，取得了良好的效果。

    4、結(jié)語

    在生產(chǎn)厚壁直縫埋弧焊管時(shí)，為提高生產(chǎn)效率，減小焊縫根部熔合線夾渣產(chǎn)生的幾率，提高焊接質(zhì)量，在制定焊接工藝時(shí)，應(yīng)選用合適的線能量，并適當(dāng)調(diào)整焊接坡口的尺寸及各焊絲的焊接電流、電壓的大小，避免形成指狀焊縫，防止焊縫根部熔合線產(chǎn)生夾渣。