(四川大西洋焊接材料股份有限公司,四川自貢643010)
管線鋼冶金技術(shù)和石油工業(yè)的進(jìn)步帶動了我國石油天然氣管道工程的迅速發(fā)展,我國管線鋼的終端用戶主要是石油管道和燃?xì)夤艿?,而高等級管線鋼板是制造高壓長距離輸送天然氣管道用直縫埋弧焊管的關(guān)鍵材料[1-2]。目前我國的管線鋼普遍采用X70、X80鋼級,根據(jù)未來天然氣管道的發(fā)展需求,不同的鋼廠相繼開發(fā)了X90、X100和X120等超高強(qiáng)度管線鋼板。選用高鋼級管材可以大量節(jié)約管道建設(shè)成本,為此,X90、X100、X120級管線鋼將在未來幾年得到十分廣泛的應(yīng)用[3]。為了能更好、更快地適應(yīng)高級別管線鋼的發(fā)展,需開發(fā)X90、X100及X120管線鋼配套用焊接材料,以滿足管線鋼高強(qiáng)度、高韌性、較好抗腐蝕性及較低硬度發(fā)展的需求。
在焊縫金屬成分設(shè)計(jì)中,為了保證焊縫金屬具有良好的工藝性能,需通過調(diào)整焊劑成分、堿度等獲得良好的熔渣流動性和脫渣性能。為了保障焊縫金屬具有良好的機(jī)械性能,焊縫金屬采用晶粒細(xì)化等強(qiáng)化方式,合金成分為C-Mn-Si-Ni-Mo-Ti,以得到所需的焊縫強(qiáng)度和良好的塑韌性。
在一定條件下,焊縫金屬強(qiáng)度越高,低溫沖擊韌性會相應(yīng)降低,并且在大線能量高速焊接時(shí),焊縫金屬的低溫沖擊韌性更難控制。因此,在提高低溫沖擊韌性的同時(shí),需兼顧焊縫成形和高速焊接工藝性能,在控制焊劑合金和熔敷金屬合金元素的同時(shí),調(diào)整焊劑堿度,降低焊劑雜質(zhì),提高熔敷金屬純凈度,減少金屬夾雜物的生成[4]。為此,需嚴(yán)格控制焊縫金屬S、P、N、Al含量,焊縫金屬的化學(xué)成分如表1所示。
表1 焊絲焊劑組合焊縫金屬化學(xué)成分 %
根據(jù)工藝特點(diǎn)及性能要求,焊劑采用氟堿性CaF2-MgO-CaO-Al2O3-SiO2渣系,通過原材料的選用和控制加入量,有利于得到低氫、低硫的焊縫金屬,為獲得良好的工藝性能和低溫沖擊韌性創(chuàng)造了條件。
根據(jù)管線鋼的焊接特點(diǎn)——高速多絲焊接,熱輸入大、熔池反應(yīng)劇烈,熔渣的流動性對焊接工藝性能有很大的影響。為此,在焊劑的保護(hù)作用下,為了保證在埋弧焊中焊縫金屬具有良好的工藝性能,焊縫金屬需具有良好的粘度、表面張力、凝固溫度等[5]。焊劑堿度對焊接工藝性影響很大,焊劑堿度過大,焊縫金屬流動性變差,焊縫容易出現(xiàn)咬邊、夾渣等缺陷;焊劑堿度過低,導(dǎo)致低溫沖擊韌性變差。在CHF105GX焊劑的研制中,為了得到良好的焊接工藝性能、低溫沖擊韌性、抗拉強(qiáng)度和較低的硬度,焊劑采用氟堿性渣系,控制焊劑堿度(BⅡW)在1.8~2.4范圍內(nèi),使得焊劑易于獲得良好的焊接工藝性及優(yōu)異的低溫沖擊韌性[4]。
MgO是一種強(qiáng)堿性物質(zhì),也是一種優(yōu)良的造渣材料,對控制焊縫形狀非常重要。對于堿性渣系,MgO能提高焊縫金屬的沖擊韌性,但MgO熔點(diǎn)較高,且會增大熔渣粘度,提高熔渣凝固溫度,抑制渣的流動性使焊縫成形變差,為了保證焊縫性能,選擇合適的加入量尤為重要。ΣCaO在焊劑中起造渣和提高焊劑堿度作用,ΣCaO主要來源為含CaO或通過分解合成的螢石等,CaO能有效提高焊劑抗大電流能力,改善焊縫力學(xué)性能,具有脫S、P雜質(zhì)元素的效果。SiO2是一種酸性物質(zhì),降低焊劑堿度,SiO2參與造渣,調(diào)整渣的凝固點(diǎn)、表面張力及熔渣高溫粘度,對焊縫成形的控制非常重要[6]。焊劑中一般采用高SiO2與低CaF2配比,反之,低SiO2采用高CaF2可使焊劑具有優(yōu)良的抗氣孔性能。Al2O3是兩性氧化物,具有增大熔渣表面張力的作用,是熔渣粘度的調(diào)整劑,增加一定量的Al2O3可減少壓坑及其傾向,但過高的Al2O3含量會使焊縫弧度更尖且不平滑,易產(chǎn)生氣孔和麻點(diǎn),渣殼變硬。MnO在焊接過程中與SiO2結(jié)合成復(fù)合的硅酸鹽,形成良好的焊渣,保護(hù)熔敷金屬,使其不受空氣中N、O的影響,而且被還原的Mn元素是焊縫中主要合金成分,能提高焊縫強(qiáng)度和沖擊韌性,同時(shí),被還原的Mn與焊縫中的S化合形成MnS,起到脫S作用,減少焊縫熱裂紋傾向,但是MnO過高導(dǎo)致焊縫成形變差。
經(jīng)過大量試驗(yàn),合理匹配 MgO、SiO2、CaO、Al2O3等元素比例,調(diào)整熔渣粘度、精選原材料,設(shè)計(jì)CHF 105GX焊劑的主要化學(xué)成分如表2所示。
表2 焊劑主要化學(xué)成分 %
焊接設(shè)備采用成都焊研威達(dá)自動焊接設(shè)備有限公司制造的四絲埋弧焊機(jī),型號AGWH-2,電機(jī)功率1.5 kW,升降調(diào)節(jié)行程0~1 300 mm。
X90與X100板材,U型坡口,坡口角度10°+10°,根部間隙16 mm。
采用CHW-S90GX、CHW-SG10兩種焊絲,焊絲規(guī)格φ5.0mm;一種焊劑CHF105GX;CHW-S90GX/CHF105GX組合采用X90板材,CHW-SG10/CHF 105GX組合采用X100板材,多層多道焊。
3.3.1 雙絲焊接工藝參數(shù)及力學(xué)性能試驗(yàn)
雙絲焊接時(shí),焊劑堿度BⅡW=2.4;試板尺寸1 000 mm×200 mm×18.6 mm×2,試驗(yàn)時(shí)加引弧板,采用直流和交流兩種電源,直流電源為ZD5-1600晶閘管直流電源,交流電源為BXL-1200(采用斯柯特接線法),電極排列DC/AC。雙絲埋弧焊接時(shí),為減小雙絲間距,采用雙絲單熔池焊接效果,共焊接4層8道,其焊接規(guī)范見表3,焊縫金屬力學(xué)性能見表4,橫向彎曲性能見表5,焊縫金屬硬度見表6。
表3 雙絲埋弧焊接規(guī)范
表4 焊縫力學(xué)性能
表5 焊縫金屬橫向彎曲性能
表6 焊縫金屬硬度
3.3.2 三絲焊接工藝參數(shù)及力學(xué)性能試驗(yàn)
三絲焊接時(shí),焊劑堿度BⅡW=1.8;試板尺寸和焊接設(shè)備與雙絲焊相同,電極排列為DC/AC/AC。三絲埋弧焊接時(shí),為減小三絲間距,共焊接3層5道,其焊接規(guī)范見表7,焊縫金屬力學(xué)性能見表8,橫向彎曲性能試驗(yàn)見表9,焊縫金屬硬度見表10。
表7 三絲埋弧焊接規(guī)范
表8 焊縫金屬力學(xué)性能
表9 焊縫金屬橫向彎曲性能
表10 焊縫金屬硬度
在巨龍鋼管廠進(jìn)行CHF105GX焊劑產(chǎn)品工藝評定試驗(yàn),配合焊絲,采用雙絲焊接,其工藝性能優(yōu)良,力學(xué)性能良好。
X100管材,管材直徑及厚度為φ1 016 mm×20.6 mm;X 型坡口,坡口角度 30°+30°,根部間隙1~2 mm,鈍邊 2~3 mm。
焊絲選用CHW-SG10,規(guī)格φ5.0 mm;焊劑CHF 105GX,焊劑堿度BⅡW=1.8;焊絲焊劑組合配套X100管材進(jìn)行雙絲單道焊。
雙絲工藝評定對接焊規(guī)范見表11,焊縫金屬力學(xué)性能見表12,橫向彎曲性能試驗(yàn)見表13,焊縫金屬硬度見表14。
表11 雙絲埋弧焊接規(guī)范
表12 焊縫金屬力學(xué)性能
表13 焊縫金屬橫向彎曲性能
表14 焊縫金屬硬度
CHF105GX焊劑配合專用焊絲CHW-S90GX、CHW-SG10在試驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)性能試驗(yàn),試制的CHF105GX焊劑產(chǎn)品在巨龍鋼管廠進(jìn)行了工藝評定試驗(yàn)。結(jié)果表明,在多絲焊接中,焊劑具有良好的焊接工藝性,拉伸性能、低溫沖擊韌性、彎曲、硬度試驗(yàn)等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足管線鋼及API 5L技術(shù)要求。
(1)焊劑CHF105GX渣系及成分設(shè)計(jì)合理,配合專用焊絲,力學(xué)性能穩(wěn)定可靠。
(2)焊劑成分和堿度設(shè)計(jì)對高速焊工藝性及力學(xué)性能影響較大,在本渣系中合理設(shè)計(jì)焊劑成分并控制焊劑堿度在1.8~2.4是合理的。
(3)CHF105GX焊劑配合專用配套焊絲,在160 cm/min、180 cm/min高速焊接條件下進(jìn)行焊接,其焊縫金屬具有良好的焊接工藝性和優(yōu)良的力學(xué)性能,焊縫金屬拉伸性能、低溫沖擊韌性均滿足管線鋼API 5L的設(shè)計(jì)要求。