電力輸送單管塔低溫焊接工藝開發與應用

王海峰

上海豐標檢測技術有限公司 上海 200120

1 序言

加拿大電力輸送行業是國內單管塔企業近些年重點開發的市場，市場需求量較大，單管塔產品壁厚較大、長度較長、底板厚度較大，對于焊接施工來說，制作這樣的產品無論從生產工藝還是質量控制上來說，都是很大的挑戰，比如對于焊縫的質量控制，如何做到加拿大市場需求的低溫沖擊焊縫要求，這是需要企業成立技術攻關小組進行具體設計和實踐模擬的，因此，對于-40℃沖擊吸收能量的要求，誰能滿足這一焊接要求，那么無疑是具有非常大的市場競爭力，這是客戶招標所列的一項重要考核條例，也是對企業技術實力的考核，能滿足它并能拿出實際的控制措施和滿足要求的具體產品，那么對于企業的市場競爭力會有很大的提升，這也是焊接新技術的開發和應用的重要意義。

2 產品基本信息介紹

加拿大電力輸送單管塔為12邊形帶底板環形焊接結構，底板與桿體通過焊縫連接且無筋板，由于焊縫在產品應用過程中承受360°方向動載荷，受力較大，所以焊縫的質量要求較高，設計強度等級為一級，焊縫環形周長為7～8m，一級強度焊縫超聲波檢測比例為100%，管體厚度25mm，底板厚度120mm，管體一側開45°～55°坡口無鈍邊，管體內測加與桿體同邊數的襯環當作焊接襯墊來實現焊縫全焊透，底板與管體組對間隙6～8mm，襯環與桿體間隙小于0.5mm（見圖1）。

圖1 焊接接頭

采用埋弧焊（SAW）單焊絲焊接技術[1]。埋弧焊工藝技術具有焊接質量穩定、焊縫外觀優異、焊縫組織分布均勻、節省工人勞動強度等諸多優點，根據產品技術要求，焊縫強度要大于等于材料強度，且焊縫性能滿足-40℃沖擊吸收能量27J，管體原材料采用美標ASTM A572 Grade 65，此為低合金高強鋼，類似中國國標的Q460材料，鋼材強度高、焊接性能好，鋼材原材料化學成分及力學性能規定見表1和表2，材料低溫沖擊性能可以滿足在-40℃下27J，入廠時均已按照批號進行過復檢，結果合格。

表1 ASTM A572 Grade65化學成分（質量分數）（%）

表2 ASTM A572 Grade65力學性能

焊材采用鑫宇牌無鍍銅高強度埋弧焊焊絲XWENi1K，φ4.0mm，此焊絲搭配XUN-50焊劑，具有強度高、低溫韌性好，焊接過程中焊道脫渣容易，以及工人勞動強度低等諸多優點，在國內眾多行業均有應用，其化學成分和力學性能規定見表3和表4，沖擊性能符合在-40℃下27J。

表3 埋弧焊焊絲XW-Eni1K化學成分（質量分數）（%）

表4 埋弧焊焊絲XW-Eni1K力學性能

3 焊接工藝開發

母材和焊材在入廠檢測中結果均合格，可以進行焊接參數的開發。焊接參數的開發主要通過焊接模擬真實焊接接頭的工作試件來進行，使用和管體材料壁厚一樣的25mm試板，提前機加工制作焊接坡口，焊接操作工選用技術能手進行，焊機采用林肯DC-1000焊接電源，送絲機構采用林肯NA-5整套送絲機構，此設備配套體系是林肯電氣比較成熟的一套埋弧焊焊接設備，能保證在焊接過程中不會有任何問題，焊劑采用與XW-ENi1K配套的XUN-50燒結焊劑，焊劑提前進行300℃烘干1h，然后在100℃保溫待用。焊前對試板進行預熱處理，溫度不宜過高，50℃左右即可，預熱時不可直接將預熱火焰加熱至焊接坡口處，預熱正確位置為距離坡口50～75mm范圍以外，且預熱時要正反兩面進行預熱，預熱完畢后使用紅外線測溫儀進行預熱溫度測定，各個方位共取5個點，5個點的平均值為正確的預熱溫度，接下來開始焊接，首次焊接參數見表5。焊接過程中嚴格控制焊道層間溫度低于260℃，焊接完畢后檢查焊縫表面，表面光滑，無毛刺、咬邊、焊瘤等不連續缺陷，放置自然條件下讓試板溫度降至室溫，經超聲波檢測后內部無缺陷，滿足一級焊縫質量要求，隨即將試板送去機加工取樣，取樣數量為2個拉伸試樣，4個側彎試樣，10個CVN沖擊試樣，其中沖擊試樣為5個焊縫沖擊和5個熱影響區沖擊，加工好后送試驗室進行試驗。

表5 首次焊接參數

經過試驗室測試，2個拉伸式樣斷裂強度符合標準要求，4個側彎式樣彎曲后無裂紋，10個CVN沖擊式樣結果不符合標準要求，沖擊試驗失敗（現場沖擊圖片見圖2），原因分析：原材料和焊材都滿足低溫沖擊性能要求且入廠檢驗均合格，焊縫低溫沖擊不合格，只能說明問題出現在焊接工序上，建議對焊縫晶體組織進行檢測。經試驗室對焊縫金相晶體組織檢測結果顯示，焊縫鐵素體組織比較粗大（見圖3），這種類似塊狀的鐵素體組織一般情況下低溫沖擊性能差，由此可見，焊縫低溫沖擊數據不合格很有可能是由于這種塊狀組織引起的，一般情況下，焊縫晶體組織粗大則是由于焊接時熱輸入過大[2]，焊縫晶體在焊接過程中太過膨脹導致，引用熱輸入公式對首次焊接熱輸入值進行計算，首次焊接的焊道熱輸入值為2.7kJ/mm，在此數據的基礎上，我們進行第二次焊接試驗的熱輸入值預制，且第二次焊接試驗必須要降低焊接熱輸入，焊接電流從原來的450A下降到430A，焊接速度由原來的320mm/min增加到400mm/min（見表6），熱輸入為2.064kJ/min，比第一次焊接時的熱輸入值下降約25%，準備好之后，使用備用試板進行第二次試驗。

圖2 沖擊試驗失敗焊縫

圖3 塊狀鐵素體（網絡借圖）

表6 第二次焊接參數

焊接完畢后檢測焊縫表面質量，合格后將焊接試板空冷至室溫，超聲波檢測無問題后，送機加工取樣，經過試驗，焊縫和熱影響區低溫沖擊性能合格（見圖4），初步推測很可能是由于熱輸入值降低所致，為了查明真相，遂對焊縫晶體組織進行金相檢測，結果顯示焊縫晶體組織主要為針狀鐵素體（見圖5），至此就可以判斷，首次低溫沖擊試驗不合格原因是由于熱輸入過大、晶體組織粗大引起的，此次經過降低熱輸入而得到的針狀晶體組織，試驗合格，熱輸入值是影響焊縫低溫沖擊結果的直接因素，至此，焊接參數開發工作完成，將所有試驗過程中的重要參數歸納總結，形成焊接工藝指導文件WPS下發生產現場，指導生產部門施焊。

圖4 沖擊試驗合格焊縫

圖5 針狀鐵素體（網絡借圖）

4 焊接工藝應用

在具體生產施焊過程中，由于產品本身的結構比較特殊為圓周12邊形，且焊縫兩側母材的厚度比過大，焊接過程中焊縫兩側受力不均衡，極易在焊腳部位產生焊腳裂紋（厚度較薄的管體一側），焊接施工前需要對具體施焊工藝進行完善，除了經過試驗的參數外，還需要增加防止焊腳裂紋產生的工藝方法[3]。

針對產品特殊焊接結構——焊縫圓周并非純圓而是整個圓周分為12邊進行分析，在焊接時，當滾輪通過焊縫兩邊連接處時和當滾輪在直線邊焊接時的焊接速度會不一樣，且在焊接直邊時，經過專業檢測，焊縫焊腳部位基本不會出現焊腳裂紋和其他焊接缺陷，因此問題都集中在當滾輪通過兩邊連接處時，需要對此部位的焊接工藝進行完善，此處問題主要是由于產品兩個邊連接時有夾角產生的，當管子轉過滾輪時，由于本身重力的作用，會產生一個焊接加速度，此加速度的產生會使原來的焊接速度增加，改變焊接參數，所以如何杜絕和避免此加速度對焊接產生的不利影響，將是解決此問題的根本方法。

通過對問題進行深入的分析，我們決定設計一套焊接輔助設備，此設備的作用就是在產品焊接時保證在整個圓周范圍內焊接速度都是均衡的，不會產生變化。我們設計了一套專用設備（見圖6），在焊接時它可以將管子包圍起來，通過圓周6處夾具將管子牢牢夾住，一是焊接時滾輪架不直接與管子面接觸，二是通過輔助工裝，焊接輔助工裝可以起到轉換焊接速度的作用，因為輔助工裝圓周為純圓形，焊接時在滾輪架上可以勻速轉動，從而避免了管子通過尖角產生加速度[4]。

圖6 焊接輔助工裝

5 結束語

采用本文工藝方案，我們對前期訂單數量的前10%進行檢測，各項檢測數據均符合項目的驗收標準規定，后續產品按照第一批進行常規控制，產品驗收順利完成。

另外，首次焊縫沖擊試驗不合格，對于焊接工藝的開發打擊是比較大的，通過科學的檢測手段，最終找到了造成不合格的根本原因，通過改正相關不合理參數，第二次就很好地完成了沖擊試驗，為項目順利進行提供了強有力的保障，在焊接工藝應用階段，通過生產結合實際，對實際問題進行深入的分析，找到了產生風險的原因，通過設計制造相關工藝裝備，保證了產品能夠順利達到項目要求，從而順利交付。