堆敷層對纖維素焊條熔敷金屬性能的影響

肖健 郭曉疆 李永春 吳林恩 夏陪陪 何金昆

摘要：為確定纖維素焊條熔敷金屬檢測中是否需要提前在鋼板坡口兩側作堆敷層進行研究，通過對方形試板進行不同層數的堆敷，觀察出焊縫化學成分接近，與焊材本身化學成分相比有了不同比例的增加，說明母材的化學元素有稀釋到焊縫中，但不會隨著層數的增加而有明顯的改變;通過加工距離坡口焊縫不同距離的化學試塊進行分析，發現與母材試板堆敷結論相近，母材的化學成分有不同程度的稀釋到焊縫，但距離坡口不同垂直距離的化學成分相差不明顯;坡口不作堆敷層與堆敷1層力學性能相近，堆敷2層的力學性能優于不做堆敷層、堆敷1層，但相差不大。

關鍵詞：纖維素焊條;熔敷金屬檢測;化學成分;力學性能

中圖分類號：TG422.1? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）11-0035-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.06

0? ? 前言

纖維素焊條具有單面焊雙面成形、全位置立向下焊時操作簡便且施工效率高等特點，被廣泛應用于石油輸送管線的焊接[1-3]。纖維素焊條的另一特點是藥皮有機物及水分含量高，導致熔敷金屬氫含量偏高，因此適用于管徑較小、鋼管強度級別較低、 低溫沖擊性能要求較低的管道焊接或是僅用于根焊[4-6]。管道根焊技術采用纖維素焊條在施工效率和成本方面具有較大優勢。隨著焊接技術的不斷發展，自動化焊接技術逐漸在管道施工中應用，但受限于設備成本、地理因素等條件限制，使得纖維素焊條在管道施工中仍具有較好的市場前景。

纖維素焊條的藥皮中含有大量的纖維素有機物，焊縫中的氫含量較高，焊縫的塑韌性和抗裂性差，國外油氣管道標準對其應用提出限制。BP標準規定最為詳細，超出下列條件限制不允許使用：（1）鋼級和壁厚超過限制。鋼級≤X65，最大壁厚19 mm;鋼級 X70，采用E8010填充、最大壁厚16 mm，采用E9010填充、最大壁厚10 mm;鋼級 X80，根焊和熱焊僅允許使用，填充焊道不允許使用;鋼級>X80，不允許使用;（2）承受高應變管道;（3）基于應變設計管道;（4）管件、法蘭和閥門的焊接;（5）角焊縫焊接（如陰極保護附件）。SHELL標準規定，纖維素焊條不允許用于管件焊接以及壁厚超過25 mm的管子與管子焊接。TOTAL標準規定，纖維素焊條僅限用于X56及以下鋼級管道，不允許用于連頭口焊接和返修焊接。Trans Canada 標準限定返修焊縫纖維素焊條允許使用的最高鋼級為 X52，最大壁厚為7 mm[7-11]。

中石油線路焊接新版CDP文件要求X70及以上鋼級管道線路、連頭、返修焊接均不允許使用纖維素焊條。建議參考國外標準要求，對不同鋼級和壁厚、以及返修焊、連頭焊提出更嚴格的纖維素焊條使用限制，并對目前使用纖維素焊條的工藝進行梳理。

近些年，對石油管道施工過程控制越發嚴格，焊材復檢是施工中焊材進場前的一項重要環節，檢驗合格后的焊材方可用于焊接。根據焊材檢測標準AWS A5.1中的要求，纖維素焊材復檢建議在熔敷金屬試板的坡口兩側用同類型焊材進行一層堆敷，在與焊材廠家的溝通中，廠家建議在坡口兩側進行兩層堆敷，以減少母材成分對焊材力學性能的影響[12]。文中通過研究不同堆敷層厚度對纖維素焊條熔敷金屬力學性能和化學成分的影響，從而得出纖維素焊條熔敷金屬焊材復檢中是否有必要在試板兩側進行堆敷層處理。

1 試驗材料及方法

采用BOEHLER FOX CEL φ4.0 mm焊條，批號為2146926，焊材化學成分如表1所示;母材選用尺寸為350 mm×200 mm×20 mm的Q345B試板，化學成分如表2所示。首先，加工10個50 mm×50 mm小方塊進行光譜試驗，設備為Thermo 4460，第一個為母材化學成分，第二個在母材上堆敷一層，以此類推到第9層如圖1所示，分別測量其化學成分如表3所示;其次，在加工好的試板坡口上進行焊接堆敷，堆敷長度為50 mm，分別堆敷1層和2層。每層均為兩道焊縫，如圖2所示，進行光譜試驗，化學成分如表4所示;再次，按照焊材標準以及廠家推薦的參數進行熔敷金屬的焊接，組對及焊接參數見表5、表6，焊接完成并進行無損檢測后在距離坡口表面1～8 mm的位置，用冷切割方法分別制備8個試塊，如圖3所示，進行光譜試驗，化學成分結果如表7所示;最后按照相同的焊接工藝焊接三塊整板，分別為不做堆敷層、1層堆敷層、2層堆敷層，焊接完成后、試件加工前進行250 ℃×16 h的去氫處理，處理完成后進行標準規定的拉伸和沖擊試驗，結果如表8所示。

2 試驗結果

2.1 不同堆敷層數熔敷金屬化學成分的變化

隨著堆敷層數的變化，各元素化學成分的變化如圖4所示，0為纖維素焊條材質單的化學成分，1～9為堆敷1～9層。由圖可知，除堆敷1層時Mn元素有所波動外，其他層數堆敷金屬的化學成分波動很小。

2.2 不同堆敷層數的對接坡口化學成分的變化

根據標準推薦，坡口板堆敷層厚度一般約為3 mm。比較堆敷1層和堆敷2層化學成分的變化（見表4），主要元素化學成分并無明顯區別。

2.3 不同堆敷層數的坡口不同垂直距離化學成分的變化

由表7和圖5可知，隨著距離坡口垂直距離的變化，化學成分呈現增多或者減少的情況，除Mo元素在距離坡口垂直3 mm時化學成分出現了波動，其他主要元素化學成分偏差都在20%以內。

2.4 纖維素焊條不同堆敷層數力學性能的變化

由表8可知，不作堆敷層的力學性能與1層堆敷層的接近，與兩層堆敷層的力學性能相比：拉伸強度低15 MPa，延伸率高2.5 mm，沖擊性能接近。

3 結論

（1）選用同種母材進行熔敷金屬化學試塊不同堆敷層數試驗，發現堆敷1層后Mn元素的成分有所提高，但其余層數的元素化學成分接近，母材化學元素成分稀釋到焊縫中的微乎其微。

（2）距離坡口不同垂直距離的化學元素成分差別不大，但與焊條本身化學元素有10%～80%的差別，說明母材的化學成分是有不同程度的稀釋到焊縫中。

（3）坡口堆敷1層和不堆敷的拉伸性能、沖擊功比較接近，都低于堆敷2層的，但差距不大。

（4）纖維素焊條熔敷金屬檢測中，對坡口作堆敷層對其力學性能影響并不大，可以不作堆敷層。

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