隨著油氣輸送管線設計輸送壓力的不斷提高，鋼管向著高鋼級、大管徑、厚壁厚方向發(fā)展。提高厚壁直縫埋弧焊管的焊接質(zhì)量，對提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率具有重要意義。在厚壁直縫埋弧焊管的生產(chǎn)中，焊縫夾渣是影響焊縫質(zhì)量的主要缺陷之一，尤其是壁厚25mm以上的直縫埋弧焊管焊縫夾渣較多。渤海裝備巨龍鋼管有限公司(簡稱巨龍鋼管公司)在生產(chǎn)南海天然氣海底管線用X65鋼級Ф762mm×30.2mm直縫埋弧焊管時，初期焊縫夾渣比例達到20%，經(jīng)多次試驗及調(diào)整工藝參數(shù)后，夾渣比例降到5%以下，使焊管返修比例降低，生產(chǎn)效率大幅度提高。
本文著重分析厚壁直縫埋弧焊管焊縫熔合線夾渣產(chǎn)生的原因，并提出相應的改進建議。
1、夾渣試樣分析
對直縫埋弧焊管有缺陷的部分取樣，通過超聲波手動探傷儀確認缺陷在焊縫中的位置，用機械加工的方法加工出缺陷所在的焊縫橫斷面，經(jīng)磨削、拋光、腐蝕后制成金相試樣。通過金相試樣分析發(fā)現(xiàn)，厚壁直縫埋弧焊管焊縫夾渣多位于內(nèi)外焊縫根部熔合線的位置，如圖1所示。
2、產(chǎn)生夾渣的原因分析
夾渣是殘留在焊縫內(nèi)部的熔渣。從理論上分析，埋弧自動焊焊縫產(chǎn)生夾渣的原因主要有以下3點：①原材料(包括母材、焊絲、焊劑)中夾雜物較多;②多層焊時層間清理不干凈;③選用的焊接工藝參數(shù)不當，不利于熔渣的浮出。
根據(jù)直縫埋弧焊管的生產(chǎn)特點，可以排除多層焊時層間清理不干凈而使焊縫產(chǎn)生夾渣這一原因。
針對原材料中夾雜物較多而使焊縫產(chǎn)生夾渣，采取焊前檢驗母材、更換新焊絲和焊劑等措施后，焊縫熔合線夾渣產(chǎn)生的比例僅略有減少，說明原材料中的夾雜物不是導致夾渣產(chǎn)生的主要原因。
因此，厚壁直縫埋弧焊管產(chǎn)生熔合線夾渣的主要原因是選用的焊接工藝參數(shù)不當。厚壁直縫埋弧焊管的焊接工藝參數(shù)主要有：線能量、焊接電流、焊接電壓、焊接速度、焊絲間距、坡口尺寸等。
再從焊接冶金學方面做深入分析可知：焊縫熔合線產(chǎn)生夾渣的原因主要是熔合線溫度過低，使液態(tài)熔渣來不及析出;而導致熔合線溫度過低的原因是加熱的峰值溫度太低或冷卻速度過快。
點熱源的最高溫度Tm的計算公式為：
Tm=2.34×105E/(cpr02) (1)
式中E——線能量，J/mm;
c——工件比熱容，J/(g·℃);
ρ——工件密度，g/mm3;
r0——某點與熱源中心的距離，mm。
從式(1)可以看出：焊件上某點的最高溫度Tm與線能量E、該點與熱源中心的距離r0有關(同一種鋼板的熱物理性能相同，其比熱容c和密度ρ均為定值)。熔池的冷卻速度與線能量、鋼板的熱物理性能、鋼板厚度、坡口尺寸有關，對于給定材料，其冷卻速度取決于熱傳播的類型、預熱溫度T0和單位長度焊縫上的有效熱輸入量Ew，它隨升高溫度T與預熱溫度T0的差值增加而增加，隨Ew的增加而下降。渤海裝備研究院鋼管研究所趙波等人在研究焊管焊接數(shù)值模擬時得出的焊接線能量E的計算公式為：
E=Kδ (2)
式中δ——鋼管壁厚，mm;
K——系數(shù)。
四絲埋弧焊時，K值在2.0×102~2.2×102之間，與德國U&S公司的研究結果K=2.1×102~2.5×102基本相同;而雙絲埋弧焊時，內(nèi)焊K=2.0×102~2.4×102、外焊K=2.4×102~3.2×102比較合適。由此可以看出：在一定壁厚條件下，焊接線能量基本是定值，過大或過小均會影響鋼管焊接質(zhì)量。同時，在線能量一定時，熔合線上某點的最高溫度由該點與熱源中心的距離決定。在多絲埋弧自動焊中，r0與坡口尺寸、1絲電流、電壓、焊接速度有關。
在一定范圍內(nèi)，焊縫熔深與1絲電流成正比，焊縫根部熔寬與1絲電壓成正比，當1絲的電流或電壓增大時，r0增大，焊縫根部熔合線的最高溫度降低，焊縫易產(chǎn)生夾渣。直縫埋弧焊管多絲埋弧焊時，由于焊絲間距較小，一般為16~20mm，多根焊絲形成了一個沿焊縫方向的綜合熔池，因此后幾根焊絲電流的大小對焊縫熔深也有一定的影響。
內(nèi)焊時受坡口型式的影響，焊縫根部中心區(qū)域的厚度遠小于根部兩側(cè)的厚度，其冷卻速度也比兩側(cè)的小很多，因此，易在內(nèi)焊縫根部兩側(cè)產(chǎn)生夾渣。
在其他條件相同時，焊縫熔深隨坡口角度和深度的增大而增大，隨坡口鈍邊尺寸的減小而增大，隨焊接速度的減小而增大。當線能量不變時，隨著焊縫熔深的增大，熔合線最高溫度的降低，焊縫易產(chǎn)生夾渣。
在直縫埋弧焊管多絲埋弧焊中，焊接速度對焊縫熔深和熔寬影響較大，焊接速度越快，熔深和熔寬就越小;反之，則越大。
3、改進措施
針對上述產(chǎn)生夾渣的原因，巨龍鋼管公司在生產(chǎn)X65鋼級Ф76mm×30.2mm直縫埋弧焊管時，對焊接工藝進行了改進，改進前后的焊接參數(shù)對比見表1;修改了焊縫坡口尺寸，修改前后焊縫坡口尺寸如圖2所示;工藝改進后焊縫的宏觀形貌如圖3所示。焊接工藝參數(shù)改進后，焊縫夾渣比例在5%以下。對比圖3與圖1發(fā)現(xiàn)：有缺陷的焊縫(圖1)熔深較大，焊縫根部較寬，焊縫呈指形;修改工藝后的焊縫(圖3)根部窄，上部寬，呈三角形。
在生產(chǎn)Ф762mm×28.6mm、Ф1016mm×26.2mm、Ф1219mm×27.0mm焊管時，采取上述措施減少焊縫夾渣，取得了良好的效果。
4、結語
在生產(chǎn)厚壁直縫埋弧焊管時，為提高生產(chǎn)效率，減小焊縫根部熔合線夾渣產(chǎn)生的幾率，提高焊接質(zhì)量，在制定焊接工藝時，應選用合適的線能量，并適當調(diào)整焊接坡口的尺寸及各焊絲的焊接電流、電壓的大小，避免形成指狀焊縫，防止焊縫根部熔合線產(chǎn)生夾渣。
