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(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快， 大直徑螺旋埋弧焊接鋼管被越來(lái)越多的應(yīng)用在城市熱力管道、 長(zhǎng)距離輸水工程中， 市場(chǎng)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(duì)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(duì)接焊縫鋼管數(shù)量增多。 鋼帶對(duì)接焊縫質(zhì)量控制難度大， 容易產(chǎn)生焊接缺陷， 一次通過(guò)率僅在50%左右， 而這些缺陷， 需要手工補(bǔ)焊來(lái)消除， 材料消耗多、 勞動(dòng)強(qiáng)度大、 影響生產(chǎn)效率， 同時(shí)還會(huì)給安全方面帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。 因此， 大直徑厚壁螺旋埋弧焊管生產(chǎn)用鋼帶對(duì)接焊縫質(zhì)量問(wèn)題，是制管企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)亟待解決的難題之一。

1 鋼帶對(duì)接焊工藝及焊縫缺陷類(lèi)別

1.1 對(duì)接焊工藝

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

1.2 對(duì)接焊縫缺陷類(lèi)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(jiàn)缺陷如圖1 所示， 常見(jiàn)缺陷類(lèi)別主要包括： ①對(duì)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(guò)高。

圖1 鋼帶對(duì)接焊縫常見(jiàn)缺陷

2 鋼帶對(duì)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(duì)接焊縫最多的缺陷， 控制難度大， 主要原因是焊接時(shí)為了確保鋼帶對(duì)縫熔透， 必須采用較大的熱輸入， 從而導(dǎo)致焊接應(yīng)力增大。 同時(shí)鋼帶對(duì)縫截面是剪切狀態(tài)， 存在變形應(yīng)力， 還存在對(duì)縫兩側(cè)定位產(chǎn)生的應(yīng)力等。 在幾種應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行焊接， 焊縫中心部位的殘余應(yīng)力分布不均勻， 與焊縫兩端的壓應(yīng)力相互作用， 產(chǎn)生裂紋缺陷。

（2） 氣孔、 夾渣缺陷。 對(duì)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(guān)，焊接材料受到污染、 焊接坡口不平整、 清潔度不夠等都會(huì)造成氣孔及夾渣缺陷。

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

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

3 鋼帶對(duì)接焊縫工藝研究

3.1 焊接坡口形式的選擇

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

沒(méi)有坡口加工能力的機(jī)組， 常用的做法是鋼帶對(duì)接縫正面采用埋弧自動(dòng)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(hù)焊填充蓋面， 這種做法效率低、 材料消耗大、 勞動(dòng)強(qiáng)度高。 而比較先進(jìn)的生產(chǎn)機(jī)組， 對(duì)接焊設(shè)備具有坡口加工能力， 先對(duì)鋼帶頭部和尾部進(jìn)行坡口加工， 形成 “Y” 形坡口， 正面進(jìn)行埋弧自動(dòng)焊接， 背面再用埋弧自動(dòng)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(shè)備， 勢(shì)必會(huì)增加設(shè)備成本和鋼帶對(duì)接時(shí)間， 影響規(guī)?；a(chǎn)效率， 因此綜合考慮， 暫時(shí)不對(duì)對(duì)接設(shè)備進(jìn)行改造， 選擇 “I” 形坡口焊接， 通過(guò)工藝提升達(dá)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(shí)， 如果采用 “I” 形坡口焊接， 合縫間隙至關(guān)重要。 以L360M 鋼級(jí)Φ1 620 mm×18 mm 鋼管用鋼帶對(duì)接為例， 當(dāng)間隙＜3 mm 時(shí)， 焊縫余高較高， 熔透效果不好；當(dāng)間隙＞5 mm 時(shí)， 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(guò)試驗(yàn)， 得出常用厚度鋼帶對(duì)接焊縫間隙參數(shù)， 見(jiàn)表1。

表1 常用厚度鋼帶對(duì)接焊縫間隙參數(shù)

3.3 焊接材料的選配

按照等強(qiáng)、 高強(qiáng)匹配原則， 選擇了5 種焊材進(jìn)行了試驗(yàn)， 5 種焊材型號(hào)及規(guī)格見(jiàn)表2。

表2 L360M 鋼級(jí)Φ1 620 mm×18 mm 鋼管焊材強(qiáng)度匹配結(jié)果

采用以上5 種強(qiáng)度匹配進(jìn)行試驗(yàn)， 結(jié)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(shù)條件要求。 但是從無(wú)損檢測(cè)結(jié)果來(lái)看， 高強(qiáng)度焊材匹配的裂紋傾向要略高于等強(qiáng)匹配。 因此， 在16 mm＜t＜20 mm 范圍內(nèi)， 焊劑匹配則應(yīng)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(duì)接焊時(shí)， 采取FCB 法焊接工藝進(jìn)行對(duì)縫焊接試驗(yàn)， 從理化性能、 工藝性能方面驗(yàn)證其可行性，以達(dá)到單面焊接、 背面成形良好的目的。 在保持現(xiàn)有設(shè)備不變的基礎(chǔ)上， 為了保證熔透并控制焊縫余高， 對(duì)焊絲規(guī)格進(jìn)行了優(yōu)選。 因壁厚大， 考慮保證熔深的同時(shí)， 還應(yīng)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(jìn)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(guān)系， 對(duì)接焊縫中間的橫向和縱向殘余應(yīng)力較大， 必須嚴(yán)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(yīng)力過(guò)大增加裂紋產(chǎn)生的趨勢(shì)， 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(duì)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(jī)構(gòu)的改造

鋼帶對(duì)接焊原來(lái)采用小盤(pán)焊絲， 每次最多只能保證三個(gè)鋼帶對(duì)接， 焊絲傳輸距離短， 存在硬彎或者扭曲， 導(dǎo)致焊接時(shí)雙絲交叉造成焊偏缺陷。 改造后， 采用300 kg 的焊絲盤(pán)替代小盤(pán)焊絲， 通過(guò)輸送導(dǎo)管、 矯直機(jī)構(gòu)進(jìn)入導(dǎo)電嘴， 解決了小盤(pán)焊絲量少、 硬彎扭曲現(xiàn)象。 方案實(shí)施后，焊絲更換頻率大大降低， 避免了焊接時(shí)雙絲交叉造成的缺陷。

4 鋼帶對(duì)接操作方法改進(jìn)

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(qiáng)度、 寬度的變化等特點(diǎn)， 精準(zhǔn)設(shè)置鋼帶遞送位置、 矯直壓下量等參數(shù)， 如圖2 所示。 通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)整矯直壓下量， 進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)優(yōu)化， 消除鋼帶頭尾展開(kāi)時(shí)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(zhǔn)微調(diào)遞送位置

圖3 鋼帶矯平效果示意圖

4.2 剪刃側(cè)向間隙調(diào)整

調(diào)整合適的剪刃側(cè)向間隙， 并控制兩側(cè)油缸壓力和中間上支撐油缸壓力， 確保對(duì)接頭、 尾壓緊墊實(shí)， 避免對(duì)接縫兩邊存在應(yīng)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(cuò)位對(duì)接法

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

圖5 鋼帶頭尾錯(cuò)位對(duì)接法示意圖

4.4 對(duì)縫間隙調(diào)整

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

5 應(yīng)用效果

通過(guò)對(duì)鋼帶對(duì)接焊工藝研究以及操作方法的改進(jìn)， 在某螺旋埋弧預(yù)精焊機(jī)組上進(jìn)行幾種規(guī)格鋼管的生產(chǎn)應(yīng)用， 連續(xù)6 個(gè)月對(duì)接焊縫一次通過(guò)率達(dá)到90%以上， 焊縫余高控制在1.9 mm 以下， 鋼帶對(duì)接焊縫質(zhì)量穩(wěn)步提升， 圖6 為實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖6 鋼帶對(duì)接焊縫成形效果

6 結(jié) 論

（1） 針對(duì)厚壁鋼帶對(duì)接焊， 選用等強(qiáng)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(dāng)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(duì)不同壁厚鋼帶， 通過(guò)調(diào)整焊頭位置、 控制預(yù)留間隙、 降低焊縫余高、 減少變形應(yīng)力等， 能有效預(yù)防和減小裂紋的產(chǎn)生。

（4） 采用FCB 法焊接工藝技術(shù)進(jìn)行 “I” 形坡口不銑邊對(duì)接， 鋼帶對(duì)接時(shí)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(duì)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(jì)效益。