X70鋼板冷填絲氣體保護焊工藝研究

趙 波，楊瑋瑋，楊德云，侯樹林，趙與越，王 斌

（1.中國石油渤海裝備研究院，河北 青縣 062658；2.長慶油田第二采油廠生產保障大隊，甘肅 慶陽 745100）

1 概 述

在高鋼級管線鋼軋制過程中，通過適當的合金成分設計和熱機械軋制技術 （TMCP），可以獲得良好的強韌性組合。 然而，由于合金鋼在焊接期間經受熱輸入和熱循環作用，這個良好的強韌性組合會產生惡化。 通常，為了實現更高的熔敷率及焊接速度，需要增加多絲埋弧焊中各絲的焊接電流和電壓，這也就意味著要增大焊接熱輸入，必將對焊縫及熱影響區的微觀組織和韌性產生不利影響，尤其是臨近熔合線的粗晶區。 通常，粗晶區韌性低于焊接接頭其他部分的韌性，無論采用何種焊接熱輸入，粗晶區都是焊接接頭中必然存在的局部脆性區域，只是在熱輸入增大的情況下，會造成粗晶區寬度加大和韌性更進一步降低和惡化。 粗晶區韌性的降低歸咎于粗大的原始奧氏體和M-A組元，是粗晶區經受的焊接熱循環過程中最高峰值溫度 Tm、高溫停留時間 tH、冷卻速率 ωc和冷卻時間t8/5共同作用的結果。 因此，在鋼管生產過程中采用盡可能小的焊接熱輸入進行焊接，以得到滿意的焊縫形貌和力學性能。

為了改善高鋼級管線鋼焊管焊縫及熱影響區力學性能，多年來，渤海裝備研究院先后對預熱焊絲、單電源雙細絲并聯、單電源雙絲串聯及冷填絲等低線能量化、高效埋弧焊工藝進行了理論研究和裝置開發。 其中預熱焊絲、單電源雙細絲并聯和冷填絲3 種高效焊接工藝試驗室階段研究已經取得突破性進展，并正在向生產應用推廣。經過大量焊接對比試驗數據和理論分析，認為輔助冷填絲焊接工藝相對于其他低線能量化、高效焊接工藝，具有更顯著的提高焊絲熔化速度、降低焊接線能量的綜合效果，尤其是該工藝對焊縫及熱影響區具有天然的加速冷卻作用，更加有利于細化焊縫及熱影響區金相組織，改善焊接接頭低溫沖擊韌性。

近年來，冷絲焊接技術的研發在不斷進行。伊薩公司研發出集成冷絲埋弧焊工藝，日本OTC 公司研發出了冷填絲高效氣體保護焊工藝。 為了開發出適用于管線鋼焊管生產的冷填絲多絲埋弧焊工藝，鑒于氣體保護焊工藝更加便于觀察和調節主絲和冷填絲的位置、焊絲熔化效果，首先對輔助冷填絲氣體保護焊工藝進行了試驗研究，希望探索并掌握冷填絲焊接工藝的核心技術。 本研究對前期在試驗室進行的冷填絲氣體保護焊工藝試驗研究進展進行了總結分析。

2 熔化極-冷填絲焊接基本原理

熔化極-冷填絲焊接原理如圖1 所示，首先在焊接方向上設置2 根焊絲，前方的主焊絲上產生電弧，后面的焊絲不通電插入主絲正下方的電弧區，利用主絲電弧熱熔化，或者插入距離前絲約5 mm的后部熔池中，利用熔池中的過熱來熔化。 這個熔化極可以是氣體保護焊，也可以是埋弧焊。

圖1 熔化極-冷填絲焊接原理示意圖

由于冷填絲不通焊接電流而是利用前絲的電弧熱或焊接熔池中的過熱來熔化，相對于不填冷絲的常規氣體保護焊或埋弧焊，在焊接熱輸入（電能消耗） 相同的條件下，冷填絲工藝可以增加焊絲熔化量30%～55%。 因此，相對于常規氣體保護焊或埋弧焊，輔助冷填絲的熔化極電弧焊是一種高效、節能的焊接工藝。

另外，如果采用多層多道焊接工藝或單道焊工藝填滿焊接坡口，可將輔助冷填絲熔化極電弧焊焊速提高到常規熔化極電弧焊焊速的1.3～1.8 倍，根據名義焊接線能量公式 P= （60×IU） /v，其中P 為焊接線能量、I 為焊接電流、U 為焊接弧壓、v 為焊速，兩種焊接工藝焊接電流、弧壓相同的條件下，采用輔助冷填絲焊接工藝可以降低焊接線能量23%～44%。 因此，相對于常規氣體保護焊或埋弧焊工藝，輔助冷填絲焊接工藝是一種低線能量焊接工藝。

這個原理來源于氣焊-填絲焊、TIG 焊-填絲焊，不同之處是： 前一種是常規的非熔化極填絲焊，后一種是非常規的熔化極冷填絲焊。非熔化極的電弧更加穩定，填絲焊接中無飛濺，熔池穩定，更容易操控； 但是其焊絲熔敷速度低，熱效率低，焊接速度低。 而熔化極冷填絲焊的電弧穩定性會受到主絲焊接參數、熔滴過渡類型和冷絲直徑、填充角度、距離位置、送絲速度等較多因素的影響，需要進行較精確的調整，其優點是： 焊絲熔敷速度高，熱效率高，焊接速度高。 這種熔化極冷填絲焊接方法可以有效降低熔池峰值溫度Tm、縮短高溫停留時間tH及熔池和熱影響區冷卻時間t8/5、提高熔池冷卻速率ωc，使焊接溫度場變窄，對焊縫及熱影響區有加速冷卻的作用，從而可以提高熔池凝固速度和形核率，細化焊縫及熱影響區金相組織，有利于減小熱影響區總體寬度和粗晶區的寬度，改善焊接接頭力學性能，尤其是低溫沖擊韌性。

3 冷絲填充量對焊縫宏觀形貌的影響

為了驗證輔助冷填絲氣體保護焊的電弧穩定性、飛濺量、冷絲熔化效果和冷填絲比例對焊縫熔深等形貌的影響規律，利用綜合多絲埋弧焊接試驗機，設計搭建了數字化自動氣體保護焊冷填絲試驗系統。 其中，氣體保護焊電源采用唐山松下YD-500GL 數字電源，冷送絲機采用數控氬弧焊自動送絲機，如圖2 所示。

圖2 數字化自動氣體保護焊冷填絲試驗系統

不同冷填絲比例焊接對比試驗設計方案采用壁厚22 mm 鋼板表面堆焊工藝，熱絲和冷絲均采用相同牌號的直徑1.6 mm 氣體保護焊焊絲，焊接過程中，熱絲在前，冷填絲插入主絲電弧正下方。 試驗中采用相同的主絲焊接參數： 焊接電流300 A、弧壓34 V、保護氣 Ar80%+CO220%富氬氣、保護氣流量 25 L/min、焊速 35 cm/min。

首先用直徑1.6 mm 單熱絲采用焊接電流300 A、弧壓 34 V、焊接速度 35 cm/min 焊接參數進行不填冷絲的焊接，利用測速儀測量得到熱絲的送絲速度為10.8 m/min。 由于冷絲的焊絲直徑與熱絲相同，計算得出冷填絲質量分別為熱絲的30%、40%、50%和55%時的冷填絲送絲速度分別為 3.24 m/min、4.32 m/min、5.4 m/min 和6 m/min。 由于氬弧焊自動送絲機的最高送絲速度為6 m/min，所以試驗最高冷填絲比例只能做到55%。 根據相關學者研究，冷填絲比例在高達 60%～80%，甚至100%時，也能均勻熔化，后期可以進行補充試驗進行驗證。 不同冷填絲比例對比焊接試板焊縫外觀形貌如圖3 所示。 經試驗觀察，發現不同冷填絲比例條件下，焊接電弧均非常穩定，冷填絲熔化均勻，幾乎無顆粒飛濺，焊縫外觀光滑，寬度均勻一致。

圖3 不同冷填絲比例氣體保護焊試板焊縫外觀

試板焊接完成后，依次截取5 個宏觀金相試樣，進行腐蝕和焊縫形貌觀察。 1#～5#試樣冷填絲比例分別為 0%、30%、40%、50%和55%，其焊縫宏觀金相照片如圖4 所示，從圖4可以看出，在不同冷填絲比例條件下，焊縫兩側均熔合良好，焊縫頂部形貌圓滑。 按照試驗之前的分析預測，隨著焊接時冷絲填充量的增加，熔池溫度、流動性、鋪展性逐漸降低，熔深、熔寬應呈現下降趨勢，焊縫余高應呈現上升趨勢。

圖4 不同冷填絲比例時的焊縫宏觀金相照片

表1 為試驗焊縫形貌尺寸統計數據，從表1可以看出，隨著冷絲填充量的增加，焊縫熔深整體呈現下降趨勢，余高呈現增加趨勢，熔寬變化趨勢不明顯，熔寬與余高的乘積呈現增加趨勢；從個別數據來看，2#試樣熔深比不填絲的1#試樣大0.2 mm，冷填絲比例55%的5#試樣熔深反而比冷填絲比例50%的4#試樣熔深大0.7 mm；3#和5#試樣的熔寬、5#試樣的余高等數據與預測的變化趨勢不一致。 初步分析認為這可能與焊接中導電嘴距鋼板的距離 （即焊絲的干伸長） 不一致有關，即使焊接之前設置的焊接電流、弧壓完全一致，如果實際焊接中焊絲干伸長不一致，會造成實際焊接電流、弧壓發生變化，從而造成試驗數據偏差。 這需要在今后的試驗中驗證并嚴格控制，減小對試驗數據規律的干擾。

表1 不同冷填絲比例條件下焊縫形貌數據統計結果

4 X70鋼板冷填絲氣體保護焊對比試驗及分析

4.1 焊接對比試驗

焊接對比試驗采用X70 鋼級壁厚22.2 mm鋼板，其金相組織形貌如圖5 所示。 該試驗用鋼的金相組織為針狀鐵素體，其實質是粒狀貝氏體、貝氏體鐵素體或是粒狀貝氏體與貝氏體鐵素體組成的復相組織，在不規則的非等軸鐵素體之間存在M-A 組元，在鐵素體內具有高密度位錯[8]，其化學成分見表2。 焊接試板坡口形狀為單V 形坡口，鈍邊 2 mm，坡口角度 60°。 焊絲化學成分見表3，主絲和冷填絲分別采用四川大西洋CHW60C-Φ1.2 mm 和 CHW-60C-Φ0.8 mm 氣體保護焊焊絲。 試驗焊接參數為： 焊接電流300 A、弧壓 34 V、富氬氣保護氣 Ar80%+CO220%、保護氣流量25 L/min、焊速35 cm/min。

圖5 X70 鋼板金相組織形貌

表2 X70 鋼板化學成分 %

表3 CHW60C 焊絲化學成分 %

試板焊縫背面采用四川大西洋生產的CHW60C-Φ1.2 mm 焊絲，自動 MAG 工藝封底焊接。 焊縫正面坡口采用多層多道焊接，常規MAG焊接工藝，采用Φ1.2 mm 焊絲焊接； 輔助冷填絲MAG 焊接工藝，主絲 （熱絲） 采用規格為 Φ1.2 mm 焊絲，冷填絲采用規格為 Φ0.8 mm 焊絲。 本次焊接試驗中，冷填絲插入位置為熱絲電弧區域，冷填絲采用與主絲相同的送絲速度同步送絲，冷絲填充比為44% （即 Φ0.8 mm 冷填絲與Φ1.2 mm 主絲的截面積之比），兩種焊接工藝采用相同的主絲。 本次試驗焊接參數見表4，兩種焊接工藝下試板的焊縫外觀形貌如圖6 所示。

表4 MAG 焊接工藝參數

圖6 兩種焊接工藝下試板的焊縫外觀形貌

4.2 力學性能試驗

兩種焊接工藝下的焊縫宏觀金相照片如圖7所示。 從圖7 可以直觀地看出，在焊接電流、弧壓、焊接速度、保護氣完全相同的條件下，冷填絲MAG 焊工藝下焊縫熱影響區的平均寬度小于常規MAG 焊工藝下焊縫熱影響區的寬度，這是由于冷填絲MAG 焊工藝增加了冷絲，致使加載到焊件上的實際熱量減少，且相應地加快了冷卻速率所致。 冷填絲MAG 焊多層多道焊縫的每道焊縫的截面積都明顯大于常規MAG 焊焊縫，按照理論計算，冷填絲MAG 焊每道焊縫熔敷金屬的質量是常規MAG 焊的1.44 倍。

圖7 兩種焊接工藝下的焊縫宏觀金相照片

依據ISO 6507-1 或ASTM E 92 采用維氏顯微硬度試驗方法，分別對常規MAG 焊和冷填絲MAG 焊兩種焊接工藝下的焊縫試樣進行了硬度檢測，按照圖8 所示位置，焊接接頭厚度方向分為上、中、下 3 組，以焊縫中心為硬度打點中心，每組分為左右母材各1 個點，左右熱影響區各 3 個點，焊縫 3 個點，每組共 11 個點。

圖8 焊接接頭硬度打點位置示意圖

兩種焊接工藝下焊接接頭的硬度檢測數據見表5，對每種焊接工藝下上、中、下對應的 3 個點硬度值取平均值，繪制兩種焊接工藝平均硬度分布對比圖 （如圖9 所示）。 從圖9 可以看出，冷填絲MAG 焊工藝下的焊縫平均硬度高于常規MAG 焊工藝，冷填絲MAG 焊工藝下的焊縫左側熱影響區平均硬度高于常規MAG 焊工藝，冷填絲MAG 焊工藝下的焊縫右側熱影響區平均硬度低于常規MAG 焊工藝，兩種工藝母材處硬度基本相同。 試驗之前預測冷填絲MAG 焊工藝下焊縫和熱影響區的硬度應低于常規MAG 焊工藝，但本次對比試驗結果與之前預測的變化規律不完全一致。 這一點還需要繼續增加試驗和進一步驗證分析。

表5 兩種焊接工藝下焊接接頭硬度對比

圖9 兩種焊接工藝下焊接接頭硬度分布圖

夏比沖擊試驗采用5 mm×10 mm×55 mm 小尺寸夏比V 形缺口條狀試樣進行試驗。 常規MAG 焊和填絲 MAG 焊焊接試樣在 0 ℃、-10 ℃、-20 ℃和-30 ℃四種不同溫度下焊縫及熱影響區的夏比沖擊試驗結果見表6。 每組沖擊試驗分別取3 個試樣。 從表6 可以看出，兩種工藝條件下焊縫及熱影響區 0 ℃、-10 ℃、-20 ℃和-30 ℃四種不同溫度的沖擊韌性均處于較高水平，而且比較均勻，未出現很低的單值，均滿足西氣東輸工程用X70 鋼級焊管技術條件，該標準要求焊縫及熱影響區-20 ℃夏比沖擊功3 個試樣平均值不小于90 J，單個試樣最低值不小于60 J。 焊縫和熱影響區沖擊結果對比如圖10 所示。

僅從兩種氣保焊工藝試驗數據來看，冷填絲MAG 焊焊縫 0 ℃、-10 ℃、-20 ℃和-30 ℃沖擊功均值分別比常規MAG 焊焊縫降低了2 J、-19 J、31 J 和59 J，采用冷填絲MAG 焊工藝后焊縫沖擊韌性呈下降趨勢，但仍然優于標準要求值； 冷填絲 MAG 焊熱影響區 0 ℃、-10 ℃、-20 ℃和-30 ℃沖擊均值分別比常規MAG 焊熱影響區提高了 36 J、29 J、11 J 和 65 J，采用冷填絲MAG 焊工藝后熱影響區沖擊韌性呈上升趨勢。

表6 不同溫度下焊縫及熱影響區的夏比沖擊試驗結果

圖10 不同溫度下焊縫和熱影響區沖擊試驗結果對比

將常規MAG 焊和冷填絲MAG 焊分別加工成2 個焊接接頭圓棒形拉伸試樣，兩種工藝下的焊接接頭抗拉強度差別不大，均滿足標準要求（不小于570 MPa），但從抗拉強度平均值來看，冷填絲MAG 焊比常規MAG 焊焊接接頭的抗拉強度降低了15 MPa，可能與粗晶區、細晶區的細化有一定關系，這一點還需進一步研究分析。

由于本次試驗采用輔助冷填絲MAG 焊工藝后，焊絲熔敷速率提高了44%，而且冷填絲MAG焊工藝下的焊縫及熱影響區沖擊韌性均遠遠優于標準要求，綜合考慮認為，冷填絲MAG 焊工藝是一種焊縫性能優良、焊接高效的焊接工藝。

4.3 微觀金相組織分析

圖11 焊縫微觀金相照片

焊縫微觀金相照片如圖11 所示。 由圖11可以看出，冷填絲MAG 焊焊縫金相組織較常規MAG 焊焊縫粗大，從上述系列低溫沖擊試驗數據來看，冷填絲MAG 焊焊縫較常規MAG 焊焊縫低溫沖擊韌性整體呈降低趨勢，這個結果和試驗之前預想的 “采用冷填絲MAG 工藝焊縫金相組織細化、沖擊韌性得到改善” 的預想相反。 初步分析，可能是與試驗中冷填絲插入到熱絲電弧區域有關，資料顯示明弧焊原本有20%～50%的電弧熱量通過輻射和飛濺耗散到周圍空間，冷填絲插入熱絲電弧區域，隨著冷絲的熔化將這部分原本耗散熱量中的一部分帶入焊接熔池，與常規MAG 焊工藝相比，實際熔池的熱輸入不是降低而是增加了，這一點需要進一步探討分析。 計劃下一步設計將冷填絲插入熱絲電弧后方的焊接熔池中，減少熱絲電弧熱量的引入，直接利用冷絲對熱絲的熔池進行加速冷卻，利用熱絲熔池中的多余熱量來熔化冷絲，可能調整冷絲添加的位置后，焊縫和熱影響區的微觀金相組織均得到細化，低溫沖擊韌性將得到改善。

熱影響區內部金相組織原始奧氏體的大小與占比、顯微結構特征的形狀與大小的變化取決于鋼材在焊接期間所經歷的熱輸入和熱循環。 在熱影響區內部，精細化的原始奧氏體尺寸大小影響其轉化產物，特別是M-A 組元，會對韌性指標產生影響。

兩種焊接工藝條件下的焊縫各個熱影響區分區的光學顯微照片如圖12 所示。 從熔合區、粗晶區和細晶區的金相對比來看，能看出冷填絲MAG 焊工藝的粗晶區和細晶區晶粒都比常規MAG 焊工藝細化。 雖然兩種焊接工藝均采用了相同的焊接線能量10.9 kJ/cm，但是因為冷填絲MAG 焊工藝中添加了44%的冷絲，對焊縫及熱影響區起到了加速冷卻的作用，使得熱影響區各個分區的峰值溫度降低、高溫區間停留時間縮短和冷卻速度加快。 冷填絲MAG 焊工藝的熱影響區金相組織得到細化，和熱影響區系列低溫沖擊對比試驗數據是吻合的，這也正是采用冷填絲焊接工藝的初衷。

圖12 兩種焊接工藝條件下焊縫熱影響區微觀組織形貌

5 結 論

（1） 熔化極填絲焊既可作氣體保護焊，也可作埋弧焊，冷填絲雙絲焊與常規單絲焊相比，在焊縫形貌良好的前提下，焊絲熔敷速率可提高30%～44%，是一種高熔敷率、節能的高效焊接工藝。

（2） 焊接原理分析和焊接試驗證明，冷填絲MAG 焊對焊縫及熱影響區具有加速冷卻作用，尤其有利于改善熱影響區的低溫沖擊韌性，因此熔化極-冷填絲焊是一種低線能量的高效焊接工藝。

（3） 隨著冷填絲比例的加大，焊縫熔深、母材熔化量、熔合比會隨之降低，因此，熔化極填絲焊比較適合用于耐磨、耐腐蝕金屬表面堆焊，適用于對熔深要求較低的中厚板的低線能量、高效多層多道焊接。