技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于低碳微合金管線鋼材料的焊接技術(shù),主要涉及一種x70厚壁直縫鋼管的多絲埋弧焊接工藝方法,該多絲埋弧焊接工藝方法主要適用于30mm~41mm的壁厚直縫埋弧焊接鋼管的制造,尤其適用于壁厚在35mm以上的深海管線用x70鋼級高強(qiáng)度厚壁直縫埋弧焊接鋼管的制造。
背景技術(shù):
:
焊接技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的一種加工技術(shù),隨著科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,焊接技術(shù)日趨向自動(dòng)化、高速化方向發(fā)展。埋弧自動(dòng)焊工藝具有自動(dòng)化程度高、焊接速度快,焊縫性能穩(wěn)定等特點(diǎn),在管道、鍋爐、壓力容器、機(jī)械、船舶、橋梁結(jié)構(gòu)等大型焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。近年來,在油氣管道領(lǐng)域,為增大輸送壓力,提高輸送效率,長距離石油天然氣輸送管線用鋼不斷向高鋼級、大壁厚發(fā)展。隨著鋼管壁厚的越來越大,傳統(tǒng)的單絲焊接已不能滿足生產(chǎn)需要。近幾年開發(fā)的雙絲埋弧焊工藝在制管中也有使用,但是對于厚壁鋼管的制造,其效率提高有限?,F(xiàn)有制管行業(yè)中應(yīng)用的四絲埋弧焊,其焊接最大厚度在30mm以下,不能滿足海洋管道工程等對大壁厚鋼管的制管要求,并且一般只能滿足-15℃以上低溫沖擊,不能達(dá)到海洋工程常用的-20℃、-40℃低溫沖擊及ctod試驗(yàn)要求。五絲埋弧焊接以其高速、高效、性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠、適用范圍廣的特點(diǎn)可大量應(yīng)用于厚壁直縫埋弧焊接鋼管的高速焊管焊接工作。
隨著石油勘探重點(diǎn)已由陸地轉(zhuǎn)向海洋,由淺海轉(zhuǎn)向深海,為滿足深海管線的抗壓潰性能要求,隨著水深的增加,鋼管的強(qiáng)度和壁厚增大,鋼管口徑與鋼管壁厚的比值(d/t)增大,對管材及其焊縫的綜合力學(xué)性能要求更高。
隨著海洋石油工業(yè)走向深水,海洋工程用大壁厚焊接鋼管越來越多,為了滿足大壁厚、高強(qiáng)度、高韌性焊管在油氣輸送管線中的市場需求,提高厚壁直縫焊管生產(chǎn)的焊接效率,高熱輸入量的多絲、高效埋弧自動(dòng)焊技術(shù)逐漸發(fā)展起來,并得到越來越廣泛的應(yīng)用。但對于壁厚30mm以上的埋弧焊接鋼管,如何提高厚壁埋弧焊接鋼管焊接接頭的強(qiáng)韌性,并保證焊縫與母材的強(qiáng)韌性匹配;如何在多絲共熔池大線能量焊接條件下解決焊接接頭熱影響區(qū)軟化和脆化問題;如何避免或降低厚壁管線鋼管的焊接缺陷,是提高高強(qiáng)度直縫埋弧焊接鋼管焊接接頭韌性,保證焊縫良好形貌,提升焊接效率所需要解決的首要問題。多絲埋弧焊的應(yīng)用研究已成為焊接工藝研究的熱點(diǎn),特別是多絲高速焊工藝的應(yīng)用,將為制管行業(yè)廠家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)效益。
針對高強(qiáng)度厚壁管線鋼管的埋弧焊接工藝,目前發(fā)達(dá)國家已應(yīng)用四絲埋弧焊,并致力于五絲埋弧焊的應(yīng)用研究,而國內(nèi)則剛剛開始應(yīng)用四絲埋弧焊。中國專利201110258382.4提及了一種采用jco成型內(nèi)焊四絲外焊四絲工藝進(jìn)行x65海底管線鋼直縫焊管的制造方法。201410724462.8提及了一種適用于x70厚壁直縫鋼管焊接的多絲埋弧焊接工藝,主要涉及到36.5mm以下厚壁鋼管的制管及多絲焊接工藝。在鋼管的焊接工藝上未涉及到40mm以上壁厚的高強(qiáng)度厚壁直縫埋弧焊接鋼管的多絲高效埋弧焊接,并且未涉及到具體的焊接工藝方法要求或采用相同的工藝參數(shù)設(shè)置。
本發(fā)明專利涉及到的一種高強(qiáng)度厚壁直縫埋弧焊接鋼管的多絲高效埋弧焊接工藝方法,并從焊絲空間位置的排布方法,焊接電流、電弧電壓、焊接速度等焊接工藝參數(shù)的選擇以及焊接材料品種的選用等方面針對高強(qiáng)度厚壁直縫埋弧焊接鋼管的埋弧自動(dòng)化焊接方法進(jìn)行具體陳述,實(shí)現(xiàn)了對壁厚30mm~41mm的x70鋼級高強(qiáng)度厚壁直縫埋弧焊接鋼管的高效生產(chǎn),鋼管焊接接頭的綜合力學(xué)性能優(yōu)異。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
:
本發(fā)明的目的在于提供一種x70厚壁直縫鋼管的多絲埋弧焊接工藝方法,通過該方法實(shí)現(xiàn)對壁厚30mm~41mm高強(qiáng)度厚壁直縫埋弧焊接鋼管的高效生產(chǎn),鋼管焊接接頭的綜合力學(xué)性能優(yōu)異,-40℃下鋼管焊接接頭處的焊縫及熱影響區(qū)的夏比沖擊功單值不低于100j;在0℃下管體及焊接接頭處的裂紋尖端張開位移ctod特征值δm≥0.25mm;焊接接頭最大硬度值≤250hv10;焊縫的熔深≥3.0mm;焊接接頭具有優(yōu)異的抗氫致開裂(hic)及硫化氫應(yīng)力腐蝕(sscc)性能。
為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為一種x70厚壁直縫鋼管的多絲埋弧焊接工藝方法,包括的步驟有:對熱機(jī)械控制工藝(tmcp)軋制的x70高強(qiáng)度低碳微合金管線鋼鋼板進(jìn)行坡口加工、制成管狀,鋼板厚度為30mm~41mm,且以均勻細(xì)小的針狀鐵素體組織為主;采用內(nèi)焊四絲外焊五絲埋弧焊分別進(jìn)行鋼管的內(nèi)焊和外焊,內(nèi)焊四絲均采用h08c焊絲,外焊五絲均采用h06h1焊絲,焊絲直徑全部為φ4mm,內(nèi)焊和外焊焊接時(shí)采用sj101h1高堿型焊劑。
所述內(nèi)焊四絲埋弧焊的1絲設(shè)置為前傾,后隨的3個(gè)絲依次過渡到后傾,并依次增大后傾角:1絲前傾角5°~20°,2絲前傾角0°~3°,3絲后傾角5°~20°,4絲后傾角15°~30°;外焊五絲埋弧焊的1絲設(shè)置為前傾,后隨的4個(gè)絲依次過渡到后傾,并依次增大后傾角:1絲前傾角5°~20°,2絲前傾角0°~3°,3絲后傾角5°~20°,4絲后傾角15°~30°,5絲后傾角25°~40°。
所述鋼管進(jìn)行內(nèi)焊和外焊時(shí)采用直流電源(dc)-交流電源(ac)混合的焊接電源配置,內(nèi)焊四絲埋弧焊電源采用dc-ac-ac-ac的混合配置,外焊五絲埋弧焊電源采用dc-ac-ac-ac-ac的混合配置,設(shè)定ac電源間的電流相位差為90°。
所述內(nèi)焊四絲和外焊五絲中相鄰各焊絲之間的絲間距為15~30mm。
所述內(nèi)焊四絲和外焊五絲中各焊絲伸出長度為焊絲直徑的6~9倍。
所述內(nèi)焊和外焊的焊接電流和電弧電壓按照1絲大電流、小電壓逐步過渡到最后絲小電流、大電壓的方式進(jìn)行設(shè)置。
所述1絲的電流在焊接電源容量許可時(shí),選擇大電流,后面的幾根焊絲的電流按前一絲電流的70%~90%比例進(jìn)行選擇。
所述1絲的電壓在電弧穩(wěn)定燃燒時(shí),電壓為31~34v,后隨幾根焊絲的電壓依次增大1~3v,最后絲的電弧電壓為39~43v。
本發(fā)明的有益效果:
1、本發(fā)明通過采用直流電源(dc)-交流電源(ac)混合的焊接電源配置,內(nèi)焊四絲埋弧焊采用dc-ac-ac-ac的混合配置,外焊五絲埋弧焊采用dc-ac-ac-ac-ac的混合配置,并設(shè)定ac電源間的電流相位差為90°,有效降低了多絲焊接時(shí)各絲之間電弧的相互干擾,保證了較高的焊接質(zhì)量;由于多絲埋弧焊電弧多,電流大,熔池長,因此具有熱輸入大、熔敷效率高,有充裕的時(shí)間供氣體和雜質(zhì)浮出,同時(shí)多絲埋弧焊減少了母材的熱循環(huán)次數(shù),延長了母材熱循環(huán)的時(shí)間,減少焊縫熱裂紋及氣孔敏感性,焊縫熔深大,易于焊透且焊接速度顯著提高,從而顯著提高了厚壁鋼管的焊接質(zhì)量和效率。
2、本發(fā)明通過對內(nèi)、外焊接各絲的方向及傾斜角度的優(yōu)化,不但增加了焊縫熔深,并且改善了焊縫形貌;通過將相鄰焊絲間距優(yōu)化在15~30mm,有效改善了電弧的穩(wěn)定性及焊縫形貌;焊絲伸出長度主要影響焊縫余高和熔合比,經(jīng)焊接試驗(yàn)得出,焊絲伸出長度取6d~9d(d為焊絲直徑)較為適宜。
3、本發(fā)明內(nèi)焊四絲均選用h08c焊絲,外焊五絲均選用h06h1焊絲,焊絲直徑全部為φ4mm的焊絲選用方案,這樣不但焊縫實(shí)際強(qiáng)度不會(huì)因焊材強(qiáng)度降低而下降很多,而且可以大幅度提高焊縫韌性,降低接頭裂紋傾向,大大地改善接頭焊縫的綜合力學(xué)性能。另外從提高焊縫韌性和保證焊縫良好形貌的角度考慮,內(nèi)焊和外焊全部匹配具有顆粒細(xì)、熔點(diǎn)高、黏度適中、穩(wěn)弧性好的sj101h1高堿型焊劑,這種焊材匹配方式不但提高了焊接接頭的韌性,而且保證了焊接接頭具有良好形貌。
4、采用本發(fā)明的高強(qiáng)度厚壁直縫埋弧焊接鋼管的多絲高效埋弧焊接工藝方法,實(shí)現(xiàn)對壁厚30mm~41mm高強(qiáng)度厚壁直縫埋弧焊接鋼管的高效生產(chǎn),鋼管焊接接頭的綜合力學(xué)性能優(yōu)異。-40℃下鋼管焊接接頭處的焊縫及熱影響區(qū)的夏比沖擊功單值不低于100j;在0℃下管體及焊接接頭處的裂紋尖端張開位移ctod特征值δm≥0.25mm;焊接接頭最大硬度值≤250hv10;焊縫的熔深≥3.0mm;焊接接頭具有優(yōu)異的抗氫致開裂(hic)及硫化氫應(yīng)力腐蝕(sscc)性能。鋼管性能達(dá)到深水油氣管道用x70鋼級厚壁鋼管的主要性能指標(biāo)要求。
附圖說明:
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
圖1為內(nèi)焊四絲焊槍位置調(diào)節(jié)示意圖位置示意圖。
圖2為外焊五絲焊槍位置調(diào)節(jié)示意圖位置示意圖。
圖3為焊接接頭硬度檢驗(yàn)位置示意圖。
圖4為焊接接頭試樣720小時(shí)腐蝕試驗(yàn)后表面宏觀照片。
圖5焊接接頭試樣96小時(shí)腐蝕試驗(yàn)后表面宏觀照片。
附圖標(biāo)記說明:s為焊絲間距,h為焊絲伸長量,j為焊絲傾斜角度;4-1、4-2、4-3、4-4分別為內(nèi)焊四絲焊槍的1絲、2絲、3絲和4絲焊槍;5-1、5-2、5-3、5-4、5-5分別為外焊五絲焊槍的1絲、2絲、3絲、4絲和5絲焊槍;a為母材、b為熱影響區(qū)、c為焊縫。
具體實(shí)施方式:
下面結(jié)合具體x70φ762×36.5mm直縫埋弧焊接鋼管的內(nèi)焊四絲、外焊五絲的多絲埋弧焊接工藝實(shí)例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
1、采用熱機(jī)械控制工藝(tmcp)軋制的x70高強(qiáng)度低碳微合金管線鋼鋼板,鋼板壁厚為36.5mm。板材的化學(xué)成分(質(zhì)量百分比)為:c0.05%,si0.24%,mn1.45%,p0.009%,s0.001%,ni0.24%,cr0.24%,cu0.21%,mo0.20%,nb0.07%,v0.0067%,ti0.016%,b0.0003%,n0.004%,碳當(dāng)量ceq為0.41,冷裂紋系數(shù)pcm為0.17。鋼板的顯微組織為以均勻細(xì)小的針狀鐵素體為主,板材具有較高的強(qiáng)度、低溫韌性和焊接性能。
2、采用直流電源(dc)-交流電源(ac)混合的焊接電源配置。內(nèi)焊四絲埋弧焊電源采用dc-ac-ac-ac的混合配置,外焊五絲埋弧焊電源采用dc-ac-ac-ac-ac的混合配置,設(shè)定ac電源間的電流相位差為90°。
3、如圖1-2所示,設(shè)定內(nèi)焊四絲埋弧焊的1絲為前傾,后隨的3個(gè)絲依次過渡到后傾,并依次增大后傾角:1絲前傾角12°,2絲前傾角2°,3絲后傾角15°,4絲后傾角25°;設(shè)定外焊五絲埋弧焊的1絲為前傾,后隨的4個(gè)絲設(shè)置為依次過渡到后傾,并依次增大后傾角:1絲前傾角10°,2絲前傾角2°,3絲后傾角10°,4絲后傾角20°,5絲后傾角30°。
4、設(shè)定內(nèi)焊四絲埋弧焊的絲間距設(shè)置為:1絲~2絲的間距20mm,2絲~3絲的間距20mm,3絲~4絲的間距18mm;外焊五絲埋弧焊的絲間距設(shè)置為:1絲~4絲的間距設(shè)置為等間距18mm,4絲~5絲的間距16mm。
5、設(shè)定內(nèi)焊四絲的各焊絲伸出長度為28mm,外焊五絲的各焊絲伸出長度為32mm。
6、設(shè)定焊接電流、電弧電壓。1絲的電流在焊接電源容量許可的情況下,盡可能選擇大電流,以保證在獲得足夠熔深的情況下提高焊接速度。后面的幾根焊絲的電流按前一絲電流的70%~90%比例進(jìn)行選擇,坡口較大需要較多的焊絲熔敷金屬時(shí),選擇比例上限;若需降低焊縫余高減少熔敷金屬量時(shí),選擇比例的下限。在保證電弧穩(wěn)定燃燒的情況下,1絲應(yīng)盡可能選擇較小電壓,以增加1絲電弧的熔深,經(jīng)焊接試驗(yàn)優(yōu)化,一般在31~34v范圍內(nèi)較佳,焊接電流較大或焊絲較粗時(shí)可選擇上限,反之選擇下限;后隨幾根焊絲的電壓按依次增大1~3v進(jìn)行選擇,最后絲的電弧電壓一般在39~43v范圍內(nèi)。采用內(nèi)焊四絲、外焊五絲的多絲埋弧自動(dòng)焊焊接工藝,按照先內(nèi)焊后外焊的焊接工藝順序分別進(jìn)行焊接。
內(nèi)焊四絲的焊接工藝參數(shù)為:第1絲電流1200a,電壓33v;第2絲電流1000a,電壓35v;第3絲電流850a,電壓37v;第4絲電流600a,電壓39v。外焊五絲的焊接工藝參數(shù)為:第1絲電流1200a,電壓33v;第2絲電流1000a,電壓34v;第3絲電流900a,電壓37v;第4絲電流800a,電壓38v;第5絲電流750a,電壓40v。
7、設(shè)定焊接速度。根據(jù)鋼管的壁厚36.5mm,坡口型式x型,鈍邊12mm,外焊坡口深度13.5mm,內(nèi)焊坡口深度11mm,內(nèi)、外坡口角度為60°以及設(shè)定的焊接電流和坡口形式與尺寸等綜合因素,設(shè)定內(nèi)焊四絲和外焊五絲的焊接速度為130~140cm/min。
8、選擇焊接材料。內(nèi)焊四絲均選用h08c焊絲,外焊五絲均選用h06h1焊絲,焊絲直徑全部為φ4mm;內(nèi)焊和外焊全部匹配sj101h1高堿型焊劑。
表1至表7分別給出的是本實(shí)例的鋼管實(shí)物的管體及焊接接頭的拉伸性能、ctod性能、焊接接頭的夏比沖擊性能、硬度以及外觀尺寸和焊接接頭的氫致開裂和抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)的檢測結(jié)果,結(jié)合圖3至圖5,可看出,利用本發(fā)明的厚壁管線線鋼管多絲埋弧焊接工藝制造出x70鋼級、管徑為φ762mm、壁厚為36.5mm的深海用高強(qiáng)度厚壁直縫埋弧焊接鋼管,鋼管焊接接頭不但具有強(qiáng)度高、低溫韌性和耐腐蝕性能優(yōu)良等性能特點(diǎn),而且具有良好的外觀形貌,達(dá)到相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的要求。
表1鋼管拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果
表2焊接接頭裂紋尖端張開位移(ctod)試驗(yàn)結(jié)果
表3焊接接頭夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果
表4焊接接頭硬度試驗(yàn)結(jié)果(hv10)
表5焊接接頭外觀尺寸檢測結(jié)果
表6焊接接頭抗氫致開裂(hic)試驗(yàn)結(jié)果
表7焊接接頭硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(sscc)試驗(yàn)結(jié)果