直縫埋弧焊石油鋼管焊接工藝的編制

中國船級社質量認證公司 郝云建

在石油長輸管線工程中廣泛采用了螺旋縫埋弧焊鋼管(SAWH)和直縫埋弧焊鋼管（SAWL），其中直縫埋弧焊鋼管由于其較螺旋縫埋弧焊鋼管的焊縫長度大大減少，焊縫質量穩定，所以被越來越多的管線工廠設計人員采用。

焊接是將兩種或兩種以上材質（同質或異質）， 通過加熱或加壓的方式，或兩者并用來達到原子之間的結合而形成永久性連接的工藝過程。常見的焊接方法主要包括熔化焊、壓力焊及其他焊接方法（如超聲波焊、摩擦焊、擴散焊等）。

埋弧焊是焊接電弧在焊劑層下進行燃燒，熔化了焊絲和部分母材，形成了一個熔敷金屬熔池，隨著焊接電弧向前移動，熔敷金屬熔池也同時向前平移，而失去了加熱熱源的熔敷金屬熔液在焊劑層的保護下逐漸冷卻并形成了焊縫。因此埋弧焊屬于熔化焊的一種。下圖為埋弧焊的示意圖（節選自API RP 577-2008焊接檢驗和冶金）：

埋弧焊示意圖

從下圖可以看出：埋弧焊的焊接過程實際上就是一個小型的、與煉鋼過程類似的冶金過程：熔敷金屬熔池可以比作微型煉鋼爐，熱源是焊接電弧，焊絲和焊劑及部分母材金屬都參與了熔池的冶金過程。因此在編制焊接工藝時，需充分考慮焊接冶金因素，才能編制出合適的焊接工藝，盡量減少或避免焊接缺陷/缺欠的產生。

目前在直縫埋弧焊石油鋼管制造工廠，管體成形采用JCOE或UOE成形，管體焊縫廣泛采用多絲埋弧焊技術，焊絲的絲數一般為2～5絲。通常采用內焊和外焊兩個工位完成整條焊縫的焊接。因此其焊接工藝的編制又與單絲埋弧焊有很大不同。下面以三絲埋弧焊焊接工藝編制進行闡述。

采用三絲埋弧焊焊接時，三根焊絲分別由單獨的焊接電源供電，焊絲沿焊接方向縱向排列，焊絲端部靠近（一般距離在10～30mm），三根焊絲共同形成一個大的熔池。熔池體積較單絲大，存在時間長，冶金反應充分，有利于氣體逸出，冷凝過程不易產生氣孔等缺陷。通常利用前絲電弧獲得足夠大的熔深，中絲和后絲電弧獲得所需的熔寬，并使得熱輸入量大大增大，提高了焊縫的成形效率。

1.焊絲的排列和焊絲傾角

多絲埋弧焊的焊絲排列有橫列式和縱列式：如下圖

橫列式

縱列式

其中，橫列式焊絲排列一般適用于堆焊層的焊接，在直縫埋弧焊鋼管中一般采用縱列式焊絲排列。由于采用多絲焊，焊絲的傾斜對焊縫的成形和焊縫質量產生了影響，因此其成為了焊接參數中應考慮的一個工藝因素。

為便于說明，給出焊絲傾斜的示意圖：

焊絲前傾 焊絲垂直 焊絲后傾

作為三絲埋弧焊方法，前絲一般采用前傾角度，其主要目的在于對焊接熔池在焊接方向的后部（下面簡稱熔池頭）形成較大的熔深和對熔池后部母材形成預熱；中絲采用垂直角度，其主要目的在于形成焊接熔池的主體熔池并補充熔融金屬；后絲采用后傾角度，其主要目的在對熔池形成約束和焊劑渣殼在熔池尾封閉熔池，從而避免氧化、氫侵入等，同時對焊縫前方的母材預熱。整體上，三根焊絲和焊劑渣殼形成一個相對封閉、類似前深后淺半梨形冶金熔池單元，隨著該冶金熔池單元的推進和不斷被冷卻形成了焊縫。在三絲埋弧焊工藝中，一般前絲前傾約12°～15°，中絲垂直于焊接方向，后絲后傾10°～ 12°。

2.焊接坡口

作為焊接工藝人員在設計坡口時，應考慮工廠的坡口加工方法和坡口加工設備。通常坡口加工設備有刨邊機、銑邊機，個別工廠采用熱切割。

目前采用的坡口一般采用“X”型坡口，對于中厚板，有些石油鋼管廠會采用類似雙U形復合坡口。坡口設計一般采用對稱， 鈍邊依據鋼板的一般取4～6mm；坡口角度40°～ 60°。

X 型坡口

復合坡口（類似雙U形）

3.焊接電流、電壓

在其他條件不變時， 焊接電流對焊縫形狀及尺寸影響如下圖：

焊接電流從左至右逐漸增大

在其他條件不變的情況下，焊接電壓對焊縫形狀及尺寸影響如下圖：

焊接電壓從左至右逐漸增大

通常確定焊接電流時，按熔深要求初步確定焊接電流的初選值，然后根據焊縫熔寬選擇焊接電壓。在其他條件相同時，減少焊絲直徑，可使熔深增加而熔寬減小，為了獲得合理的焊縫成形，通常在提高焊接電流的同時，相應地也提高焊接電壓。埋弧焊焊接過程中為了電弧燃燒穩定總要求保持一定的電弧長度，或弧長比穩定的弧長偏短， 則意味著焊接電壓相對于焊接電流偏低；但弧長過長（焊接電壓偏高），電弧容易出現不穩定，熔寬變大，余高變小，甚至出現咬邊。在實際生產中通常觀察埋弧焊焊接過程中電弧是否外漏來確定，以不漏弧或電弧微露為佳。

a) 焊接速度

在其他條件不變的情況下，焊接速度對焊縫形狀及尺寸的影響（見下圖）。

焊接速度從左至右逐漸增大

提高焊接速度則單位長度焊縫上輸入熱量減少，熔敷金屬的熔化量減少，熔深減少，余高降低，熔寬變窄。同時，過快的焊接速度減弱了熔敷金屬和母材之間的熔合并加劇了咬邊、電弧偏吹、氣孔和焊縫形狀不規則的傾向；較慢的焊接速度可使氣體有足夠時間從正在凝固的熔敷金屬中逸出，減少氣孔傾向；但過低的焊接速度又會形成易裂的凹形焊縫，在焊接電弧周圍熔池過大，引起焊縫波紋粗糙和夾渣。目前，石油鋼管生產廠為了提高生產效率，一般采取高的焊接速度，匹配提高焊接電流和焊接電壓來提高焊接電弧功率，從而獲得符合要求的焊縫尺寸和形狀。目前的焊接速度范圍一般在120～180mm/min。

b) 焊絲、焊劑選用和極性選擇

焊絲的選擇通常依據石油鋼管的材質選擇，較常用的為H08C。在其他工藝參數不變的情況下，減少焊絲直徑，意味著焊接電流密度增加，電弧狹窄從而使焊縫熔深增加，熔寬和熔深比減小。

焊劑通常選用燒結焊劑，如SJ101。在正常的焊接條件下，被熔化焊劑的重量約與被熔化的焊絲重量相等。焊劑層厚度太薄，則電弧容易漏出，對熔池保護不良，焊縫熔深淺，容易產生氣孔和裂紋等缺陷；焊劑層厚度太厚，焊縫熔深偏大，容易出現峰型焊縫。焊劑的粒度會影響焊劑層的透氣性，焊劑粒度增大，熔深和余高稍減，熔寬稍增，焊縫氣孔傾向減小。焊劑的烘干也是影響焊縫質量的重要因素，通常焊劑使用前應進行300℃烘干1小時然后保溫，焊劑烘干可以減少焊縫產生氫致裂紋的傾向。

焊接極性一般為了獲得大的熔深， 前絲會采用直流正接（工件接正極）；為了獲得對焊接熔池良好的電磁攪拌和機械攪拌作用，以允許焊接熔池和焊渣等充分逸出，中絲和后絲采用交流。

c) 其他參數

焊前預熱和焊后保溫，應依據母材的性能進行選擇。

焊接位置一般采用平焊位置。

其他焊接參數依據產品進行確定。

d) 焊接工藝評定

在焊接工藝編制完成后，一般為了驗證焊接工藝的適用性，應進行焊接工藝評定進行驗證（見下表）。

焊接被稱為金屬針線，其在工業生產多個領域的應用越來越廣泛，適用的焊接工藝是保證產品質量的主要保證。焊接作為金屬材料高效連接方式，由于產品的種類、用途有千差萬別，焊接工藝所要選用的焊接方法、設備、工藝、工裝等不斷發展，焊接工藝的編制也應持續改進，從而保證高質量的焊縫。因此，作為一名焊接工藝人員，應從實踐出發，綜合考慮焊接熔池效應，結合焊接冶金原理，不斷積累工藝經驗，并深入產品焊接現場，認真觀察，不斷總結，才能更好地針對不同材質，不同產品等編制出良好的焊接工藝，滿足生產需要。

熱輸入(Kj/cm)牌號 直徑(mm) 極性 安培(A)填充金屬 焊接電流 電弧電壓(V)焊接速度(cm/min)CHW-SGA Ф4.0 DC＋ 800 33 150 1內焊層 SAW CHW-SGA Ф4.0 AC 650 35 150 CHW-SGA Ф3.2 AC 560 39 150 27.25 CHW-SGA Ф4.0 DC＋ 800 33 150 2外焊層 SAW 28.65 CHW-SGA Ф4.0 AC 700 35 150 CHW-SGA Ф3.2 AC 600 39 150