一種國產金屬粉芯焊絲封底焊焊接工藝開發

蘇衍福，任勝漢，劉斌，劉伯勝，劉海林，李志波，董長樂，蔡忠彪，郭連京

海洋石油工程股份有限公司 天津 300452

1 序言

我公司的焊材使用經歷了進口焊材→進口焊材為主，國產焊材為輔→國產焊材為主，進口焊材為輔的三個發展階段，每個階段的發展都伴隨著國產焊材技術能力的不斷提高。公司時刻關注國產焊材的發展，一旦技術水平到達或接近進口焊材，公司都會及時引進。

對于海洋石油工程股份有限公司目前仍在使用的日本神鋼LB-52U手工封底焊條，試驗室進行了多年的國產化替代研究，通過與國產焊材廠家的合作，雖然取得部分成果，但仍不能完全取代進口焊條，隨后試驗室研究人員瞄準了金屬粉芯焊絲。

金屬粉芯焊絲是由薄鋼帶包裹粉劑組成，粉劑的主要成分為鐵合金粉，非金屬礦物含量很少。因此，與實芯焊絲和普通藥芯焊絲相比，金屬粉芯焊絲具有如下優勢：①金屬粉芯焊絲的保護氣一般要求使用Ar+CO2或Ar+O2的混合氣，用于封底焊道，背面成形良好。②較大的電流密度，可以達到更高的熔敷率。③具有較寬的電子發射區域，形成的熔池更穩定。④金屬粉芯焊絲熔透較寬，可以消除側壁未熔合。⑤抗銹、抗氣孔能力強，熔敷率高，相較藥芯焊絲可提高生產效率30%以上。⑥兼具藥芯焊絲和實芯焊絲的優點，熔渣少，可連續焊接4道以上不需要清渣，飛濺小、電弧柔軟、焊接工藝性好。⑦熱輸入范圍寬，焊接參數容易設置。⑧極低的擴散氫含量，一般低于4mL/100g。⑨粉劑中鐵合金粉成分可調換，能夠獲得性能更佳的熔敷金屬[1，2]。

因此，試驗人員結合以往新焊材開發經驗，對金屬粉芯焊絲封底焊進行了細致的研究分析，優選出了性能更優，且具備一定價格優勢的備用焊材，進行焊接工藝開發。

2 試驗材料與方法

（1）試驗材料 試驗采用的是中海石油金洲管道有限公司生產的API 5L X65MOS高頻直縫電阻焊鋼管，尺寸為φ406.4mm×12.7mm，其化學成分見表1。

試驗焊材為京群GCL-70M，符合標準AWS A5.18 E70C-6M，直徑為1.2mm；神鋼DW-A55LSR符合標準AWS A5.29 E81T1-Ni1M，直徑為1.2mm。前者為封底焊材，后者為填充、蓋面焊材。其化學成分見表2。

（2）焊接系統 整個焊接采用的是松下YD-350GM焊接系統，保護氣體為80%Ar +20% CO2混合氣。

表1 試驗鋼管化學成分（質量分數） （%）

表2 焊材化學成分（質量分數） （%）

（3）試件準備 試件采用單V形坡口，坡口角度60°±5°，鈍邊1~2mm，組對間隙2~4mm（見圖1）。先用角向砂輪清除試件待焊表面的鐵銹、油污和水分等雜質，使之呈現金屬光澤，表面不得有裂紋、夾渣等缺陷。

圖1 坡口設計

在焊接前，采用手持烤槍加熱，預熱溫度選取70℃，以此減緩焊后的冷卻速度，這有利于焊縫金屬中擴散氫的逸出，避免產生氫致裂紋。同時也減少焊縫及熱影響區的淬硬程度，提高焊接接頭的抗裂性。

（4）焊接參數 焊接參數見表3，焊接采用金屬粉芯焊絲封底，藥芯焊絲填充、蓋面工藝。焊接過程中嚴格控制熱輸入。焊絲焊接過程中控制焊絲干伸長，數值選擇15~25mm。焊接過程中，著重控制焊槍的擺動寬度。焊槍盡量深入焊道底部，保證焊道全熔透。試板焊接如圖2所示。

圖2 焊接試板

3 試驗結果及分析

（1）NDT檢測及宏觀形貌 焊接完成后24h對焊縫按照DNV OS-F101—2005標準進行NDT無損檢測，包括外觀、X射線檢測。封底焊縫外觀如圖3所示，成形均勻美觀，無表面氣孔、夾渣、咬邊及裂紋等缺陷。圖4為焊縫宏觀照片，用肉眼觀察，焊縫金屬和母材完全焊透、熔合，并無裂紋，焊縫焊根及余高均符合標準要求，測試結果滿足要求。

圖3 封底焊縫外觀

圖4 焊縫宏觀照片

（2）焊接接頭的力學性能測試 根據相關標準的要求對焊接試件進行了拉伸、彎曲、沖擊及硬度測試，其結果如下。

1）根據ASTM E384-11e1對試件的焊縫金屬、熱影響區、母材進行了顯微硬度測試，硬度測試結果見表4，硬度測點位置如圖5所示。通過表4可以發現封底焊道硬度值大于其他區域，但所有值均小于硬度要求值325HV，說明所采用焊接工藝是成功的。

表3 焊接參數

表4 硬度測試結果 （HV）

2）焊接接頭力學性能見表5。觀察表5可以發現，焊縫金屬的抗拉強度較高，均高于標準值要求，特別是-40℃低溫沖擊值，有較大的技術余量，另外值得注意的是，拉伸試樣均斷裂在母材。

表5 焊接接頭力學性能

3）彎曲試驗用于測定焊縫接頭的完好性和延展性，試驗壓頭尺寸為63.5mm，彎曲角度為180°，試驗溫度為20℃，濕度為20%。試驗的8個試樣均無裂紋產生，說明焊縫表面和根部的塑性良好。

4）沖擊試驗在-40℃的條件下進行，在焊縫中心、熔合區、距熔合區2mm處和5mm處，每個位置需3個試驗件，焊材焊縫沖擊值均高于標準要求（最小值為34J，平均值為50J），封底性能良好。

（3）焊接接頭及熱影響區CTOD性能測試 根據BS 7448對焊接接頭及熱影響區進行CTOD性能測試，試驗結果見表6。

結合該焊材應用要求，對于0℃的CTOD要求≥0.15mm，由表6可以看到，焊接接頭3個焊縫值以及3個熱影響區值都在0.15~1.09mm之間，滿足項目要求。

（4）擴散氫測試 考慮到開發的金屬粉芯焊絲主要應用于封底工藝，而根部裂紋缺陷是焊接缺陷中較常出現的一種。因此，新開發的封底工藝抗裂性能如何，是工藝開發性能的重點。擴散氫含量是影響抗裂性能的重點，因此試驗人員對此進行了細致研究（見表7）。

表6 CTOD測試值

由表7可知，五種試驗焊材，金屬粉芯焊絲擴散氫含量最低，藥芯焊絲（GFL-71Ni、DWA55LSR）擴散氫含量最高，焊條（LB-52U）、STT焊絲（TM-60）擴散氫含量居中。

由此可以得出如下結論：

1）金屬粉芯焊絲擴散氫含量低于藥芯焊絲和焊條數值，這是因為前者介于藥芯和實芯之間，更加偏向于實芯焊絲，而在同等焊接施工條件下，實芯焊絲的擴散氫更低。

2）GCL-70M金屬粉芯封底焊絲擴散氫含量最低，理論上抗裂紋傾向能力更優。

表7 擴散氫含量測試

4 結束語

本文開發的國產金屬粉芯焊絲封底焊焊接工藝、參數科學合理，焊前處理得當，焊縫成形良好。經檢測，各項性能良好，特別是硬度、低溫沖擊韌度、抗裂性等，滿足工程項目技術要求。應用于工程項目的封底焊中，能夠替代之前使用的進口手工封底焊條。待工程試用性能穩定后，經過進一步論證方可正式取代原有焊材。由于其封底性能更加優越，且具備價格優勢，今后應用于工程中，必將為公司節約大量成本。