一種薄壁鋼管的焊接研究與應用

馬 謙，蘇景富，成 蕾，汪 超

（渤海裝備南京巨龍鋼管有限公司，江蘇南京 210061）

0 引言

公司主要產品大口徑直縫埋弧焊鋼管，適用于石油、天然氣長輸高壓油氣管道等的建設。但是針對薄壁（10 mm 以下）低鋼級（X65 以下）JCOE 直縫焊管焊接缺陷比例較高問題進行深入研究，這類鋼管在生產過程中，各大鋼管制造廠焊接工藝一般采用三絲焊接工藝，因此，鋼管焊接缺陷基本上在內焊道上產生較多的咬邊和氣孔缺陷問題，造成鋼管的生產效率降低、材耗增加，生產經營成本直接增加，導致項目難以有效進行。經過反復實驗研究三絲、雙絲兩種不同焊接工藝參數，在分別優化兩種焊接工藝的基礎上，對兩種方案的焊縫缺陷類型、數量及理化性能進行分析和比較。

根據公司生產薄壁厚鋼管的實際情況，通過焊接工藝的優化后，鋼管的理化性能均能滿足項目標準要求，但雙絲焊接工藝焊接質量更好，焊接一通率更高，經濟效益更加明顯，在數千根鋼管的批量生產中得到成功驗證。

1 現狀調查

對近年來壁厚在10 mm 以下鋼管焊接一通率、管端焊縫切除率，從焊接崗位生產記錄進行統計，焊接缺陷統計見表1。

表1 焊接缺陷統計

通過薄壁鋼管焊接缺陷率統計，發現薄壁鋼管的焊接切除率高，焊接一通率低，造成鋼管生產效率降低、材耗增加。通過薄壁鋼管焊缺陷類型統計，發現影響薄壁鋼管焊接質量的主要焊接缺陷為夾渣、氣孔和咬邊。

2 原因分析

導致薄壁鋼管焊接一通率偏低、焊接質量不好的原因較多，分別從人、機、料、法、環5 個方面進行原因調查和分析。導致焊接缺陷的因果圖如圖1 所示。

圖1 焊接缺陷因果圖

根據因果圖分析出5 條原因，制定相應的確認方法，并進行確認；根據確認的結果確定要因，要因評價見表2。

表2 要因評價表

3 實施對策

通過原因分析確認焊接缺陷多的主要原因是：焊前工序的準備、焊接工藝的優化、完善，針對主要原因，經過反復分析與研究，制定如下措施。

3.1 焊接工藝優化措施

鋼板為X60M 鋼級、壁厚為7.9 mm 的開平板，經過JCO 成型方式成規格為Ф610 mm×7.9 mm 鋼管。焊絲型號為H08Mn－MoTiB，焊劑采用氟堿性燒結焊劑，型號為JH-SJ101G。

焊接坡口形式采用X 形，鈍邊高度約為4.8 mm（優化前高度為3.7 mm），內坡口深度約為1.5 mm，內外焊坡口角度分別為80～90°。通過采用方案Ⅰ焊接工藝利用三絲、方案Ⅱ工藝采用雙絲的兩種焊接方法進行焊接實驗，焊接工藝參數見表3。

表3 焊接工藝參數

3.1.1 兩種焊接工藝措施焊縫宏觀形貌對比

兩種焊接工藝措施焊縫宏觀形貌對比如圖2 所示，兩種措施均能滿足該項目標準要求的內外焊道中心偏離≤3.0 mm、內外焊道熔透深度≥1.5 mm 要求。焊縫余高方面，三絲焊接工藝措施的焊接焊縫余高在3.0 mm 左右，雙絲焊接工藝措施的焊接焊縫余高在2.6 mm 左右，雙絲焊接工藝措施的焊接余高比三絲焊接工藝措施的焊接余高有所降低，因此，雙絲焊接工藝有利于控制生產成本，提高生產效率。

圖2 兩種焊接工藝措施焊縫宏觀形貌對比

3.1.2 兩種焊接工藝方案焊接理化性能方面

兩種焊接工藝措施的焊縫抗拉強度均能滿足項目標準要求，且均≥520 MPa，雙絲焊的焊接工藝措施的焊縫平均抗拉強度較三絲的焊接工藝措施的焊縫平均抗拉強度提高約18 MPa。焊接后的焊縫及熱影響區沖擊功性能均能達到項目標準要求，且單值＞30 J 和均值＞40 J 的要求，焊接接頭及熱影響區均具有良好的抗斷裂韌性。同時，雙絲焊接工藝措施的焊縫及熱影響區沖擊功單值和平均值均比三絲焊接工藝措施分別提高38 J 和68 J。

3.2 設備改進和人員培訓

（1）應用頭腦風暴法，對影響生產線鋼管現場工序質量的因素進行分析，小組成員每人提出2 條以上的原因，然后對不良原因排序，選出排名前10 位的原因進行重點分析。

（2）預焊機設備的改造，在焊接過程中及時調整錯邊。

（3）優化焊接設備、輔助設備和控制系統，提高焊接車穩定性，減少斷弧、燒穿、電磁偏、焊接車竄動、焊偏和電流、電壓波動對焊接的影響。

（4）配合生產開展焊接工藝研究，通過減小焊接線能量改善熱影響區軟化問題。

（5）加強員工技能培訓，提高焊工技能水平和責任心。

4 項目取得成果及應用效果

通過焊接工藝優化改進、設備的升級改造以及員工質量意識的提高，薄壁管焊接質量提升明顯。鋼板為X60M 鋼級、壁厚為7.9 mm 的開平板，經過JCO 成型方式成規格為Ф610 mm×7.9 mm 鋼管1646 t 為例，比較以前數據明顯提高，管端切除率、焊接一通率變化如圖3 所示。具體應用效果如下：

圖3 管端切除率、焊接一通率變化

（1）兩種焊接工藝生產的鋼管，焊縫拉伸性能、沖擊性能、焊縫彎曲等理化性能都能夠滿足項目標準要求，其中兩絲焊接線能量更低、性能更優。

（2）對于薄壁鋼管的焊接，相對三絲焊接工藝措施采用雙絲焊接工藝措施的情況下，焊接的外觀余高得到很好控制，焊縫缺陷率降低，焊接一通率提高，焊縫理化性能更優。雙絲焊接工藝措施低余高、低補焊率及低切除率低，更適宜進行批量生產。