大直徑厚壁螺旋焊管生產(chǎn)用鋼帶對接焊工藝

雷 浩， 胡德虎， 高 鵬， 茍世峰， 曹文軍， 劉 浩

（寶雞石油輸送管有限公司， 陜西寶雞 721008）

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和城市化進程的加快， 大直徑螺旋埋弧焊接鋼管被越來越多的應用在城市熱力管道、 長距離輸水工程中， 市場需求不斷增大。 熱力管道、 輸水管線的成品管允許保留鋼帶對接焊縫， 但在制管生產(chǎn)中， 隨著鋼管直徑增大、壁厚增加， 鋼帶對接焊縫鋼管數(shù)量增多。 鋼帶對接焊縫質(zhì)量控制難度大， 容易產(chǎn)生焊接缺陷， 一次通過率僅在50%左右， 而這些缺陷， 需要手工補焊來消除， 材料消耗多、 勞動強度大、 影響生產(chǎn)效率， 同時還會給安全方面帶來風險。 因此， 大直徑厚壁螺旋埋弧焊管生產(chǎn)用鋼帶對接焊縫質(zhì)量問題，是制管企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場亟待解決的難題之一。

1 鋼帶對接焊工藝及焊縫缺陷類別

1.1 對接焊工藝

目前制管企業(yè)進行鋼帶對接焊時， 通常正面采用埋弧自動焊工藝熔透， 背面焊縫基本成形，卷管成形后， 再對背面焊縫進行自動焊或手工焊蓋面， 形成完整的焊縫。

1.2 對接焊縫缺陷類別

隨著鋼管壁厚的增加， 產(chǎn)生缺陷的概率也隨之增加， 常見缺陷如圖1 所示， 常見缺陷類別主要包括： ①對接焊縫兩端、 焊趾裂紋缺陷； ②焊縫中氣孔、 夾渣缺陷； ③背面焊縫未熔透或者未成形； ④焊縫表面形狀不規(guī)則、 余高過高。

圖1 鋼帶對接焊縫常見缺陷

2 鋼帶對接焊縫缺陷產(chǎn)生的原因

（1） 起弧和熄弧端起弧裂紋。 起弧和熄弧兩端丁字頭的裂紋是鋼帶對接焊縫最多的缺陷， 控制難度大， 主要原因是焊接時為了確保鋼帶對縫熔透， 必須采用較大的熱輸入， 從而導致焊接應力增大。 同時鋼帶對縫截面是剪切狀態(tài)， 存在變形應力， 還存在對縫兩側定位產(chǎn)生的應力等。 在幾種應力狀態(tài)下進行焊接， 焊縫中心部位的殘余應力分布不均勻， 與焊縫兩端的壓應力相互作用， 產(chǎn)生裂紋缺陷。

（2） 氣孔、 夾渣缺陷。 對接焊縫氣孔、 夾渣產(chǎn)生主要與焊接規(guī)范、 焊接材料選擇匹配有關，焊接材料受到污染、 焊接坡口不平整、 清潔度不夠等都會造成氣孔及夾渣缺陷。

（3） 背縫未熔透或未成形缺陷。 此類缺陷主要與對縫間隙大小不當、 下襯墊焊劑未墊實以及焊劑的黏度大等因素有關。

（4） 焊縫表面不規(guī)則、 咬邊以及余高過高。此類缺陷主要是與焊接過程中電弧不穩(wěn)定、 焊接參數(shù)不匹配、 焊接過程傳輸不穩(wěn)定等因素相關。

3 鋼帶對接焊縫工藝研究

3.1 焊接坡口形式的選擇

在國內(nèi)制管行業(yè)， 螺旋埋弧焊管機組鋼帶對接基本采用“I” 形坡口焊接， 其主要適應中小管徑、 薄壁鋼管； 對于大直徑、 厚壁鋼管（厚壁≥16 mm）， 按照工藝要求應該采用“Y” 形坡口。

沒有坡口加工能力的機組， 常用的做法是鋼帶對接縫正面采用埋弧自動焊接后， 背面焊縫采用人工碳弧氣刨清根， 最終采用氣體保護焊填充蓋面， 這種做法效率低、 材料消耗大、 勞動強度高。 而比較先進的生產(chǎn)機組， 對接焊設備具有坡口加工能力， 先對鋼帶頭部和尾部進行坡口加工， 形成 “Y” 形坡口， 正面進行埋弧自動焊接， 背面再用埋弧自動焊蓋面。

本研究涉及的生產(chǎn)線不具備坡口加工能力，增加坡口加工設備， 勢必會增加設備成本和鋼帶對接時間， 影響規(guī)模化生產(chǎn)效率， 因此綜合考慮， 暫時不對對接設備進行改造， 選擇 “I” 形坡口焊接， 通過工藝提升達到消除焊縫缺陷、 提高生產(chǎn)效率的目的。

3.2 鋼帶合縫間隙的控制

鋼帶厚度≥16 mm 時， 如果采用 “I” 形坡口焊接， 合縫間隙至關重要。 以L360M 鋼級Φ1 620 mm×18 mm 鋼管用鋼帶對接為例， 當間隙＜3 mm 時， 焊縫余高較高， 熔透效果不好；當間隙＞5 mm 時， 焊縫余高較低， 容易低于母材， 雖然熔透效果好， 但容易產(chǎn)生焊縫中心裂紋和焊道不規(guī)則。 經(jīng)過試驗， 得出常用厚度鋼帶對接焊縫間隙參數(shù)， 見表1。

表1 常用厚度鋼帶對接焊縫間隙參數(shù)

3.3 焊接材料的選配

按照等強、 高強匹配原則， 選擇了5 種焊材進行了試驗， 5 種焊材型號及規(guī)格見表2。

表2 L360M 鋼級Φ1 620 mm×18 mm 鋼管焊材強度匹配結果

采用以上5 種強度匹配進行試驗， 結果顯示， 焊接工藝及焊縫理化性能完全符合GB/T 9711 及附加技術條件要求。 但是從無損檢測結果來看， 高強度焊材匹配的裂紋傾向要略高于等強匹配。 因此， 在16 mm＜t＜20 mm 范圍內(nèi)， 焊劑匹配則應選用抗裂紋性能好、 堿度較高的SJ101H1 焊劑， 能減少裂紋缺陷的產(chǎn)生。

在鋼帶厚度≥20 mm、 采用 “I” 形坡口對接焊時， 采取FCB 法焊接工藝進行對縫焊接試驗， 從理化性能、 工藝性能方面驗證其可行性，以達到單面焊接、 背面成形良好的目的。 在保持現(xiàn)有設備不變的基礎上， 為了保證熔透并控制焊縫余高， 對焊絲規(guī)格進行了優(yōu)選。 因壁厚大， 考慮保證熔深的同時， 還應確保焊縫熔敷量滿足要求， 前絲選用了Φ4.0 mm 規(guī)格， 后絲選用了Φ4.8 mm 規(guī)格， 前絲保證充分的熔透， 后絲保證較大的金屬熔敷以促進焊縫成形良好。

3.4 焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化

焊接熱輸入與焊接速度成反比關系， 對接焊縫中間的橫向和縱向殘余應力較大， 必須嚴格控制。 而降低熱輸入必須從降低焊接電流和提高焊接速度入手， 在起弧端和熄弧端降低焊接電流，避免焊縫應力過大增加裂紋產(chǎn)生的趨勢， 也有利于起弧和熄弧端的焊縫成形。 因此， 選擇最佳的焊接工藝參數(shù)是消除丁字頭焊接缺陷的根本措施。

3.5 引、 熄弧板的尺寸

鋼帶對接焊前， 必須使用引、 熄弧板， 起弧端選擇150 mm×60 mm 的起弧板， 熄弧端以170 mm×60 mm 的熄弧板為佳。

3.6 焊絲機構的改造

鋼帶對接焊原來采用小盤焊絲， 每次最多只能保證三個鋼帶對接， 焊絲傳輸距離短， 存在硬彎或者扭曲， 導致焊接時雙絲交叉造成焊偏缺陷。 改造后， 采用300 kg 的焊絲盤替代小盤焊絲， 通過輸送導管、 矯直機構進入導電嘴， 解決了小盤焊絲量少、 硬彎扭曲現(xiàn)象。 方案實施后，焊絲更換頻率大大降低， 避免了焊接時雙絲交叉造成的缺陷。

4 鋼帶對接操作方法改進

4.1 鋼帶遞送位置的調(diào)整

根據(jù)不同鋼廠鋼帶的板形、 材質(zhì)的強度、 寬度的變化等特點， 精準設置鋼帶遞送位置、 矯直壓下量等參數(shù)， 如圖2 所示。 通過精準調(diào)整矯直壓下量， 進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)優(yōu)化， 消除鋼帶頭尾展開時的橫向凹槽和縱向不平整， 保證鋼帶精確遞送位置和鋼帶最佳矯平效果， 如圖3 所示。

圖2 精準微調(diào)遞送位置

圖3 鋼帶矯平效果示意圖

4.2 剪刃側向間隙調(diào)整

調(diào)整合適的剪刃側向間隙， 并控制兩側油缸壓力和中間上支撐油缸壓力， 確保對接頭、 尾壓緊墊實， 避免對接縫兩邊存在應力變形和鋸齒，調(diào)整前、 后鋼帶剪切面形狀如圖4 所示。

圖4 調(diào)整前、后鋼帶剪切面形狀

4.3 微量錯位對接法

根據(jù)卷板頭、 尾彎度變化， 采用微量錯位對接法， 對接方法如圖5 所示， 在保證鋼帶對接時前后鋼帶不脫銑的情況下， 消除部分卷板彎度，減小對縫內(nèi)應力。

圖5 鋼帶頭尾錯位對接法示意圖

4.4 對縫間隙調(diào)整

將對縫間隙調(diào)整均勻， 用液壓定位裝置壓緊后， 再用角磨機打磨剪切面的少量毛刺， 以保證合縫質(zhì)量。

5 應用效果

通過對鋼帶對接焊工藝研究以及操作方法的改進， 在某螺旋埋弧預精焊機組上進行幾種規(guī)格鋼管的生產(chǎn)應用， 連續(xù)6 個月對接焊縫一次通過率達到90%以上， 焊縫余高控制在1.9 mm 以下， 鋼帶對接焊縫質(zhì)量穩(wěn)步提升， 圖6 為實際應用現(xiàn)場照片。

圖6 鋼帶對接焊縫成形效果

6 結 論

（1） 針對厚壁鋼帶對接焊， 選用等強焊材匹配， 前絲直徑Φ4.0 mm， 后絲直徑Φ4.8 mm，有效避免了焊材匹配及焊縫形狀系數(shù)不當引起的裂紋缺陷。

（2） 優(yōu)化焊接參數(shù)匹配， 降低起弧和熄弧端的焊接熱輸入， 能有效減少和消除焊縫的氣孔、夾渣、 丁字頭裂紋和未熔透等缺陷。

（3） 優(yōu)化焊接操作方法， 針對不同壁厚鋼帶， 通過調(diào)整焊頭位置、 控制預留間隙、 降低焊縫余高、 減少變形應力等， 能有效預防和減小裂紋的產(chǎn)生。

（4） 采用FCB 法焊接工藝技術進行 “I” 形坡口不銑邊對接， 鋼帶對接時間短、 作業(yè)率高，焊縫質(zhì)量好， 可滿足批量規(guī)模化生產(chǎn)的需求， 解決了大直徑、 厚壁鋼管鋼帶對接焊縫質(zhì)量難題，大規(guī)模批量生產(chǎn)降低了材耗， 提高了經(jīng)濟效益。