樁管鎖扣冷絲預置MAG焊接工藝

韓顯柱， 楊戰利， 劉明， 付傲

(1.中油寶世順(秦皇島)鋼管有限公司 ，河北 秦皇島 066206;2.哈爾濱焊接研究院有限公司 ，黑龍江 哈爾濱 150028)

0 前言

隨著全球經濟一體化不斷深入和中國經濟的快速發展，港口產業也正在發生深刻的變革和巨大的變化，港口建設用樁管需求量也呈現出新的發展趨勢，樁管的需求量也逐漸增大[1]。樁管鎖扣冷絲預置MAG焊接工藝研究是樁管鎖扣焊接領域的一個新的發展方向，其原理是利用電弧余熱將預置冷絲熔化，從而在大幅提升焊接生產效率的同時降低焊縫的熱輸入，從而改善焊接應力和焊后變形狀況，實現質量和效率的雙提升。文中結合工程實例詳細介紹了樁管鎖扣冷絲預置MAG焊接工藝的研究情況。

1 試驗方法

1.1 試驗設備與材料

利用制管工廠原有鋼管自動補焊工作臺改造完成的旋轉工作臺，增配自動爬行式氣體保護焊設備，實現鋼管側向行走自動焊接。設備主要由旋轉輥(一端內置，另一端外置)、P-500焊接電源及送絲系統、跟蹤機構、氣體保護裝置和電氣控制系統組成。樁管鎖扣焊接設備如圖1所示，鎖扣焊接平臺如圖2所示。

圖1 樁管鎖扣設備

圖2 樁管鎖扣焊接平臺

為了實現高效率生產確保交貨周期，采用大電流CO2氣體保護焊工藝方法。試驗材料為鋼級S355J0/直徑D 2 032 mm×25 mm鋼管和C9型號鎖扣，兩者進行組對焊接，樁管與鎖扣組對形式如圖3所示。組對完成后，利用自動爬行式CO2氣體保護焊設備對鋼管和鎖扣之間的連接處角焊縫進行人工輔助的半自動施焊。

圖3 鋼管樁與鎖扣組對圖

鋼管母材、鎖扣、氣保焊絲，預置冷絲的化學成分及力學性能分別見表1～表4。

表1 鋼管母材化學成分(質量分數，%)

表2 C9鎖扣和焊絲化學成分(質量分數，%)

表3 S355J0級鋼管母材的拉伸試驗結果

表4 C9鎖扣拉伸試驗結果

1.2 試驗方法

1.2.1鋼管與鎖扣的組對

根據管樁的設計要求，兩條鎖扣在鋼管的外表面呈180°對稱分布，鎖扣開口方向相反。采用1根長度為34 m的鋼管，鋼管表面焊接31 m長的C9型號鎖扣，鎖扣以鋼管的一端進行定位對齊(距管端5 mm)。組對裝配的精度決定了鎖扣樁板配合精度，因此鎖扣定位是一道關鍵的裝配工序。裝配前，鋼管經過無損檢測、外觀檢驗質量合格，且管端端面平整，鋼管幾何尺寸符合標準要求，之后進行組對裝配。具體裝配工藝如下。

第一步：鋼管放置在鎖扣焊接工位，采用水平尺在鋼管兩端尋找“T”點位置(最高點)并標記清晰，鋼管一端為“T1”，鋼管另一端為“T2”。

第二步：測量鋼管兩端“T”點位置截面周長L，鋼管一端標記為 “L1”，鋼管另一端標記為“L2”。

第三步：分別以“T1”，“T2”為基準點利用米尺向鋼管圓周1/4方向測量A,B兩點位置并標記清晰，鋼管一端標記為“A1”“B1”，鋼管另一端標記為“A2”，“B2”，之后將鋼管所需要焊接鎖扣的位置進行劃線，A1和A2連線、B1和B2連線即為鎖扣的實際位置。

鎖扣的固定與定位需要采用工裝進行校正以確保鎖扣的直度。鎖扣定位之后，采用半自動CO2氣體保護焊進行焊接：實芯焊絲φ1.2 mm，焊接電流(230±23) A，電弧電壓(28±2) V，焊縫寬度控制在4～6 mm，鎖扣兩側每1 000 mm進行定位焊接，焊接長度為80～100 mm。

1.2.2預置冷絲

將帶有鎖扣的鋼管旋轉到鎖扣的弧面與鋼管表面夾角一側，并旋轉到帶焊角焊縫處于水平向上位置，然后在鎖扣的弧面與鋼管表面夾角處嵌加預置直徑φ4.8 mm且每段長度2 m的直段焊絲，結合管徑和鎖扣弧面的間隙，所預置焊絲剛好處于鎖扣與鋼管表面的直角夾角內，如圖4所示。焊接工藝參數見表5。

圖4 冷絲預置

表5 焊接參數

2. 試驗結果與分析

2.1 拉伸試驗方案

組合拉伸試驗是在鎖扣被焊接至鋼管上以后，進行的取樣拉伸試驗(拉伸試驗方法如圖5所示)。在焊有鎖扣試樣的鋼管內表面焊接夾持塊，鎖扣互鎖后進行拉伸試驗，拉伸試樣如圖6所示。

圖5 鎖扣拉伸試樣

圖6 鎖扣焊縫拉伸試驗方法

2.2 拉伸試驗

選擇4組試樣進行拉伸試驗，見表6。4組試樣分別施加340 kN，355 kN，370 kN，372 kN的拉力進行試驗，4組試樣均未出現開裂情況，全部合格，說明冷絲預置焊接工藝滿足產品生產質量要求。

表6 拉伸試驗結果

2.3 金相檢驗

冷絲預置的焊縫宏觀形貌如圖7所示，微觀顯微組織如圖8～圖9所示。可以看出預置的焊絲完全熔化并與母材組織相互融合，焊縫表面光滑，焊腳尺寸均勻一致。焊縫組織主要為先共析鐵素體和少量的M-A析出物形成的粒狀和板條狀貝氏體組織；HAZ的金相微觀組織主要是塊狀鐵素體和粒狀貝氏體。

圖7 焊縫形貌

圖8 焊縫組織

圖9 HAZ組織

2.4 磁粉無損檢驗

對鎖扣焊縫表面進行了外觀檢查，未發現表面缺陷，對2條鎖扣的4條焊縫進行100%磁粉無損檢驗，均未發現顯微裂紋和弧坑裂紋等缺陷，檢驗結果滿足EN 25817標準關于焊接缺陷質量等級C級要求。

2.5 普通工藝與冷絲預置工藝的對比分析

在采用冷絲預置工藝前，筆者進行了非冷絲預置工藝探索，也就是對組對好的鎖扣的弧面與鋼管表面的夾角直接進行焊接。由于鎖扣與鋼管貼合面間隙較大(3 mm左右)，因此必須進行打底焊接，之后再采用與冷絲預置工藝相同的焊接工藝參數進行焊接，此種情況下，為達到交貨條件要求的焊腳尺寸，需要焊接三層。焊接后發現，因成倍增加的熱輸入產生的焊接應力導致鎖扣變形嚴重，如圖10所示。焊接完成后鎖扣直線度偏差超過0.2%L，嚴重時變形量甚至達到了6 mm/m，已經嚴重影響了產品的質量，無法滿足產品交貨條件。

圖10 焊接變形的鎖扣

樁管鎖扣冷絲預置制造工藝，通過焊前預置冷絲的方式，使電弧熱量得到充分利用，大幅降低了焊縫整體熱輸入，并成倍提高焊接熔敷效率，獲得低變形高效率的實現焊接效果。與此同時，冷絲預置工藝技術可以大幅降低焊接材料和人力成本，成為樁管鎖扣較為理想的焊接工藝技術。

3 結論

(1)樁管鎖扣冷絲預置MAG焊接工藝具有焊接熔敷效率高、殘余應力小、焊縫成形好、節約能源與材料、生產成本低等多重優勢，此工藝技術在國外某樁管鎖扣項目中發揮了關鍵的作用，是樁管鎖扣焊接中較為理想的焊接工藝技術。

(2)經拉伸、微觀與宏觀金相以及磁粉探傷等多重檢驗表明，預置焊絲完全熔化并與母材組織熔合良好，性能指標滿足標準和用戶交貨條件要求。