水下高壓干法GMAW焊接方法

2012-08-06 04:34:52唐德渝牛虎理

電焊機 2012年12期

關鍵詞：焊縫

唐德渝，牛虎理，薛龍，孫勃，呂濤

（1.中國石油集團工程技術研究院，天津 300451；2.北京石油化工學院，北京 102617）

0 前言

海洋開發是石油工業發展的重要方向。隨著海上油氣資源的開發利用，海底管線的敷設將大量增加。并且伴隨運行年限的增加，海底管線的水下維修問題也日益突出。因此，提前開展水下焊接方法的研究，自主研發具有較強工程實用性和適應能力的水下管道焊接與維修技術，加快該技術的實用化進程，已是一項日趨迫切的任務。水下環境焊接海底管道，其操作條件與陸上完全不同。采用濕法焊接能見度差，焊縫含氫量高，冷卻速度快，焊縫成形差，接頭質量不能滿足海洋管道高質量的要求。因此，要保證海底管線的焊口質量，需采用高壓干法焊接。水下高壓干法焊接，電弧燃燒和熔滴過渡需在高壓氣體環境中進行，另外因操作人員不能進入排水罩，需采用自動化、智能化的焊接系統，采用遙控方式完成。先期開展的高壓氣體介質中的電弧特性、熔滴過渡方式、焊縫成形的組織特征等基礎特性的試驗研究是實現海底管道焊接的基礎。本研究結合海底管線的焊接條件和質量要求，針對性的開展水下干法高壓氣體環境下全位置GMAW焊接的電弧物理特性、熔滴過渡、焊縫成形及接頭性能的特點，為海洋石油開發奠定基礎，具有良好的應用前景。

1 試驗條件和方法建立

1.1 焊接試驗艙設計

實驗項目工作需有一個能夠模擬水下焊接條件的干法焊接實驗艙，它包括一個耐壓殼體、自動開啟的艙門、焊接設備和實驗儀器線纜的進出孔、觀察孔以及保持壓力平衡的排煙裝置，如圖1所示。

1.2 試驗用設備、儀器

試驗過程配備專用焊接試驗臺架、空氣壓縮機、焊接設備、觀測和檢測儀器等。焊接試驗臺架、送絲機及焊炬部分放置在壓力艙內，焊接電源為福尼斯CMT4000，和控制系統一起放置在壓力艙外。其設備、儀器如圖2、圖3所示。

圖1 高壓焊接實驗艙

2 電弧穩定性試驗

2.1 空氣壓力環境下的焊接燃爆試驗

在水下干式壓力環境里進行弧焊作業需要往干式艙內通入高壓氣體，以驅除海水形成干式環境。充入的氣體可以是空氣、惰性氣體或含惰性氣體的混合氣。焊接過程中，焊接區還需送保護氣進行保護。顯然隔水高壓氣體采用空氣經濟效益最好，環境氣氛控制也最簡單。但采用空氣加壓后作為隔水氣體有可能燃弧后會發生燃爆現象。國內前期針對GTAM方法進行過壓縮空氣燃爆試驗，在淺水范圍內是安全的[1]。由于GMAW焊與氬弧焊差異較大，使用的測試、觀察儀器較多，本研究針對試驗和應用條件，首先進行了高壓空氣環境的燃爆試驗，試驗結果如表1所示。

圖2 艙內設備布置

圖3 采用的焊接電源

表1 空氣壓力環境下焊接保護氣燃爆實驗

由表 1 可知，在 0.1～0.6 MPa 空氣壓力范圍內，適用于GMAW的焊接保護氣φ（Ar）82%+φ（CO2）18%，在焊接電流140～180 A時燃弧，未發生明火燃燒或爆炸現象，不具備引燃周圍試驗裝置的條件，能夠保證試驗的安全性。

2.2 高壓環境電弧特性

2.2.1 環境壓力影響

為了驗證高壓環境中GMAW焊焊接電弧的穩定性，采用了兩種焊接模式進行試驗：一種為CMT（冷金屬過渡）方法；另一種為協同控制的常規GMAW焊接方法。

試驗用母材為φ168×8的鋼管（材質X65），焊絲為JM-56，直徑φ1.0 mm，干伸長10 mm，保護氣為Ar+CO2，氣體流量20 L/min。試驗結果如下。

（1）CMT模式。

在不同焊接電流情況下，隨著環境壓力的增加，電弧電壓呈上升趨勢，且隨著電流的增加，電弧電壓也呈增加趨勢。整個焊接過程中，焊接電弧穩定，如圖4a所示。

圖4 環境壓力與電弧電壓的關系

（2）一元化協同MAG模式。

由圖4b可知，在不同焊接電流下，隨著電流的增加，電弧電壓也呈增加趨勢。隨著環境壓力的增加，電弧電壓上升趨勢不明顯，可能與電弧電壓動態波動較大有關。整個焊接過程中，焊接電弧基本穩定，相對CMT模式，協同控制方法有較多飛濺。

隨著環境壓力的升高，電弧電壓有增加的趨勢，所以，要獲得較為穩定的焊接過程，隨著壓力升高，應相應提高電源的輸出電壓[2]，或者采用外特性為下降特性的焊接電源。

2.2.2 焊接電流影響

采用同樣的焊接材料和模式，試驗了在不同壓力情況，獲得穩定的焊接過程，焊接電流和焊接電壓的變化關系，如圖5所示。無論是CMT模式還是一元化MAG模式，隨著電流的增加，電弧電壓都呈增加趨勢，即電弧具有上升特性。整個焊接過程中，焊接電弧穩定。

圖5 環境壓力變化時焊接電流與電弧電壓的關系

2.2.3 高壓環境電弧形貌

實驗采用高速攝像記錄焊接過程，攝像速度為1000 f/s。主要研究不同焊接模式、不同保護氣體、不同環境壓力以及不同焊接電流對應的電弧形貌。通過圖像處理，對比在同一參數下電弧的最大直徑和高度，進而得出相關的規律。

不同環境壓力下的電弧形貌照片如圖6所示，隨著環境壓力的增加，電弧的高度也略微增加。總體上來說，電弧隨環境壓力的增大而增大，因為焊接電流相同，環境壓力增加后，電弧電壓也相應增加（見電弧靜態特性的研究），這時電弧的能量增加，電弧爍亮區域也更大一些。

3 焊接接頭的組織和性能

圖6 焊接電流200 A時不同環境壓力下的電弧照片（CMT模式，保護氣體Ar+CO2）

采用CMT焊接模式，待焊管件在工作臺的帶動下作旋轉運動，焊槍固定于特定位置不動，特定位置分別有：平焊、立向下、仰焊位置。試件為φ168 mm×12 mm的X65管線鋼，焊材為JM-68（GB/ER55-G），保護氣體φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，環境壓力分別為0 MPa（常壓下）和0.4 MPa兩種。試驗參數如表2所示。

3.1 焊接接頭金相分析

（1）常壓下焊接接頭金相分析。

典型的金相組織照片如圖7～圖10所示。

由圖7～圖10可知，熱影響區的組織分為過熱區（粗晶區）、完全重結晶區（細晶區）和不完全重結晶區。粗晶區晶粒較粗大，塊狀先共析鐵素體沿原奧氏體晶界析出，晶粒內部為針狀鐵素體和少量的珠光體，細晶區組織為較小的鐵素體和珠光體。焊縫顯微組織為鐵素體、珠光體和少量的碳化物。這是因為X65含碳量低，并且通過C、Mn元素的固溶強化，所以焊縫凝固所形成的奧氏體主要向鐵素體和珠光體相變。相變后的組織主要是鐵素體和少量的珠光體。這些鐵素體通常沿原奧氏體邊界析出。根部焊縫和中間焊縫以等軸晶粒為主，且晶粒較上層焊縫的小，這是因為根部焊縫和中間焊縫承受了上層焊縫的熱處理，其組織為晶粒較小的鐵素體和少量珠光體。而蓋面焊縫呈柱狀晶，鐵素體組織晶粒較粗大，且出現了粗大的魏氏組織。

表2 焊接試驗參數

圖7 HAZ金相照片

圖8 根部焊縫

圖9 中間焊縫

圖10 蓋面焊縫

（2）0.4 MPa環境壓力下焊接接頭金相分析。

典型的金相組織照片如圖11～圖14所示。

圖11 HAZ金相照片

由圖11～圖14可知，與常壓下焊接接頭金相組織相比，0.4 MPa壓力下中間焊縫和蓋面焊縫出現大量上貝氏體組織（圖中大量羽毛狀組織即為上貝氏體組織）。上貝氏體組織的形成必須進行碳的重新分布和鐵的晶格改組，碳原子以一定速度在奧氏體中擴散和重新分布，鐵和合金原子幾乎不擴散，在γ→α轉變的同時，碳自鐵素體中脫落，碳原子穿過鐵素體相界擴散到奧氏體中，形成上貝氏體。由于焊接過程在0.4 MPa的壓力下進行，影響碳原子的擴散速度，從而在中間焊縫和蓋面焊縫出現了大量上貝氏體組織。上貝氏體組織的形成勢必降低焊接接頭的韌性。另外，與常壓焊接相比，晶內碳化物分布集中性差，比較分散，這也是由高壓下碳原子擴散速度變化引起的。