 厚壁直缝埋弧焊钢管加工生产
厚壁直缝埋弧焊钢管五丝埋弧焊工艺和射线常见缺陷
厚壁直缝埋弧焊钢管生产过程中，五丝埋弧焊一直是焊接工艺研究的热点。目前，世界上只有少数国家掌握了这种先进的生产技术。五丝埋弧焊采用5个电源分别对沿焊接纵向排列的5根焊丝单独供电，焊丝在焊剂层下的一个共有熔池内燃烧，从而实现对大口径厚壁埋弧直缝钢管的焊接。由于五丝焊电弧多，电流大，熔池长，因此具有热输入大、熔敷效率高、冶金反应充分、焊接速度快等优点。为了提高厚壁直缝焊管生产的焊接效率，满足市场对大直径、大壁厚、高强度、高韧性焊管在油气输送管线中的需求，公司在原三丝焊工艺的基础上，研究开发了五丝埋弧焊焊接工艺。
在大口径厚壁埋弧直缝钢管五丝埋弧焊工艺开发项目中，存在AC电弧间电磁干扰明显、可调参数多、工艺控制要求严格等难点。具体表现在焊接电源的配置与连接、焊丝空间位置的设置、焊接参数的选择、焊丝直径的组合及焊剂的选用等方面。其中焊接电源配置、焊丝空间位置的设计以及焊接参数的选择是工艺开发的重点，其关健的技术问题是选择合理的电源连接方式以及众多可变参数的合理组合。
在大口径厚壁直缝埋弧钢管多丝焊(如三丝焊)中，前置焊丝为DC电源时的焊缝熔深比AC电源时的大，因而多丝焊一般均采用DC-AC混合电源配置。五丝埋弧焊是在三丝埋弧焊的基础上添加了两个AC电源焊丝而构成，即DC-AC-AC-AC-AC混合电源配置。但在多丝焊中，AC焊丝数目越多，其电弧间的磁干扰消除也越困难。为此笔者进行了大量的焊接试验，通过改变AC电源的连接，使电流相位差90°，可有效地消除AC电弧间的磁影响，使电弧稳定燃烧。
直缝埋弧焊钢管焊丝倾斜方向和倾斜角度的大小，对焊缝熔深和焊缝成形有较大影响。焊丝向前倾斜比向后倾斜时的熔深大，而向后倾斜比向前倾斜时的焊缝宽。为了进一步增加焊缝熔深和改善焊缝成形，将五丝埋弧焊的1丝(DC)设置为前倾，后随的4个丝(AC)设置为依次过渡到后倾，并依次增大后倾角。经过大量的焊接试验，优化出各丝的倾斜角度如图1所示：1丝前倾角10°～20°，2丝前倾角0°～10°，3丝后倾角5°～15°，4丝后倾角18°～28°，5丝后倾角30°～40°，并匹配适宜的焊接工艺参数，可获得良好的焊缝形貌。
需要指出的是，1丝前倾角和5丝后倾角不宜过大。1丝前倾角过大对焊缝熔深有一定的影响；5丝后倾角过大，导电嘴底部易与液态熔渣形成”电弧”，影响焊接过程的稳定性。
焊丝间距对焊接过程有较大的影响，在焊接电流不变的情况下，间距越小熔深越深[1]，形成的焊缝窄而高。间距过小焊缝易烧穿，间距过大会影响电弧的稳定性及焊缝成形。为了避免上述的不利因素，根据三丝埋弧焊工艺，将五丝埋弧焊的间距设置为1～4丝间距相等，4～5丝间距增大(也可按依次增大的方式设置)，并通过焊接试验优化出间距在15～30mm，匹配适宜的焊接参数，可获得稳定的焊接过程。1.2.3焊丝伸出长度
焊丝伸出长度主要影响焊缝余高和熔合比。焊丝伸出长度增加，焊缝余高增大，熔深减小；反之亦然，若焊丝伸出长度过短，导电嘴容易粘渣，进而导电嘴与导电嘴之间易产生”电弧”而影响正常电弧的稳定燃烧。经焊接试验得出，五丝埋弧焊的焊丝伸出长度一般取9d～11d(d为焊丝直径)较为适宜。
不同直径的焊丝有各自适应的电流范围。高出此范围，薄壁直缝焊钢管焊丝熔化量增多，会影响熔深和焊缝形貌；低于此范围，电弧自身调节作用受到影响而使电弧不稳定。因而五丝埋弧焊焊丝直径应主要根据焊接电流来选择。厚壁焊接钢管五丝埋弧焊1丝(前丝)的电流最大，一般超过1000A，最大可达1200A以上；而5丝(最后丝)的电流最小，一般在700A以下；其最大电流与最小电流之差在400A以上。若5根丝的电流均在同一焊丝直径的电流范围内，可选用一种直径的焊丝进行焊接，反之则选择不同直径的焊丝组合较好。
焊接电流和电弧电压对焊缝形状和焊接质量有着重要的影响，是五丝埋弧焊重要的焊接参数。根据三丝埋弧焊工艺，五丝焊的焊接电流和电弧电压也是按照1丝大电流、小电压逐步过渡到5丝小电流、大电压的方式进行设置的。1丝的电流在焊接电源容量许可的情况下，尽可能选择大电流，以保证在获得足够熔深的情况下有较高的焊接速度。后随4根焊丝的电流按前一丝电流的70%～90%比例进行选择，坡口较大需要较多的焊丝熔敷金属时，选择比例上限；若需降低焊缝余高减少熔敷金属量时，选择比例的下限。
在保证电弧稳定燃烧的情况下，1丝应尽可能选择较小电压，以增加1丝电弧的熔深，经焊接试验优化，一般在31～34V范围内较佳，焊接电流较大或焊丝较粗时可选择上限，反之选择下限；后随4根焊丝的电压按依次增大1～3V进行选择，5丝的电弧电压一般在39～43V范围内。
大口径厚壁埋弧钢管五丝埋弧焊适合于厚壁开坡口工件的焊接，其焊接速度主要取决于熔深和坡口内填充的熔化金属量，熔深和坡口内金属填充量又取决于焊接电流和坡口形式与尺寸。因此选择五丝埋弧焊焊接速度时，应根据板厚、焊接电流和坡口形式与尺寸等综合因素来确定。
由于五丝埋弧焊的焊丝数目多、热输入大、焊接速度快等因素，一方面使焊缝氧含量增多，引起焊缝韧性下降；另一方面由于五丝焊的熔池尺寸大，高温停留时间长，熔化金属在重力作用下容易流动，使焊缝扁平。因而从提高焊缝韧性和保证焊缝良好形貌的角度考虑，五丝埋弧焊应选择熔点较高、具有一定黏度的高碱型焊剂。
五丝埋弧焊电弧燃烧的空间较大，熔化的焊剂量也较多，约为三丝焊的1.1～1.4倍。焊剂颗粒增大将进一步增大电弧燃烧空间，这将使焊剂消耗量进一步增加，同时也使焊缝熔宽增大，熔深和余高减小。另外，由于熔化的焊剂量较大，需要堆积的焊剂也较高，一般为45～55mm。若堆积高度较低，电弧外露，焊缝易产生气孔，严重时导电嘴容易粘渣和烧结。
综上所述，五丝埋弧焊应选用颗粒细、熔点高、黏度适中、稳弧性好的高碱型焊剂。
直缝钢管射线常见缺陷分析：
常见的埋弧厚壁直缝钢管焊接缺陷有焊缝尺寸不符合要求、咬边、烧穿、气孔、夹渣、未焊透、未熔合及裂纹等。在射线探伤底片评定时，它们在底片上出现的位置，表现的影像有一定的特点。
厚壁直缝埋弧钢管常见焊接缺陷：
气孔
气孔是指焊接时熔池中的气泡在凝固时未能及时逸出而残留下来所形成的空穴。在焊缝中常见的气孔分为球状气孔分为球状气孔、条形气孔和缩孔。
球孔在底片上多呈现为黑色圆点，轮廓比较圆滑，中心黑度较大，沿边缘渐淡。有的单个分散出现，有密集成群，还有的平行于焊缝轴线成链状分布。
条状气孔分为沿焊缝方向的条孔和沿结晶方向的斜针状气孔。前者多平行于焊缝轴线，黑度均匀较淡，轮廓清晰，起点多为圆形，并沿焊缝方向逐渐均匀变细，终端呈尖形。后者有时单个出现，有时呈礼花状弥散分布。其影像特点是一端保持着气孔的半圆形，一端呈尖状，其宽度逐渐变窄，黑度淡而均匀，多沿结晶方向斜向分布，有时呈”八”字形分布的特点。
缩孔按其成因分为晶间缩孔和弧坑缩孔。晶间缩孔是焊缝冷却过程中，残留气体在枝晶间形成的长条形缩孔，这种气孔垂直于焊缝表面，在底片上多呈现为较大黑度的圆点或长圆形影像，又叫针孔。针孔危害性较大，容易导致泄漏。弧坑缩孔又称为火口缩孔。主要焊缝的末端未填满，而在的后续的焊接操作中未消除而形成的缩孔。在底片上表现为黑色浅淡影像中有一黑度明显大于周围黑度的块状影像。黑度均匀，轮廓不是很清晰，外形不规则有收缩的线纹。
夹渣
夹渣是指残留在焊缝金属中的熔渣，即由于焊接冶金过程中熔池中一些非金属夹杂物在结晶过程中来不及浮出而残存在焊缝内部。
按其开关分为点状、块状和条状，按其成分可分为金属夹渣和非金属夹渣。点状和块状夹渣都作为圆形缺陷来评定。在底片上呈现为轮廓清晰，有棱角，黑度淡而均匀的不规则形状。有的单个出现，有的密集分布。条状夹渣在底片上呈现出不规则的，两端有棱角，宽窄不一的黑色长条状影像，黑度不均匀，轮廓较清晰。这种夹渣有时伴随未熔合同时存在。
未焊透
厚壁埋弧直缝钢管未焊透是指焊接时接头根部未完全熔透而留下的部分。按焊接方式不同可将未焊透分为单面焊根部未焊透，双面焊根部未焊透以及带衬垫的焊根未焊透。
单面焊根部未焊透在底片上多呈现为规则的，轮廓清晰，黑度均匀的直线状黑线条。有连续的，也有断续的。多位于焊缝影像中心轴线上，线条两侧有时可见钝边加工痕迹。影像宽度大致与焊根间隙相同，常伴随随根部内凹、错口影像同时产生。
双面焊根部未焊透一般为较细的黑色直线，多位于焊缝中心，如果透照射线非垂直照射焊缝，影像可能偏移一边。影像轮廓清晰，黑度均匀，有断续和连续之分，有时能贯穿整张底片。
带热板的焊根未焊透常出现在钝的一侧或两侧，外形较规则，靠钝边一侧保留钝边加工痕迹，呈直线状，靠焊缝中心一侧多呈曲齿状。影像黑度均匀轮廓清晰。
如果焊缝坡口为气割坡口，这种坡口产生的未焊透边缘呈现不规则的锯齿状，总体仍是直线状。
结论：
(1)五丝埋弧焊采用DC+4AC电源配置，通过改变AC电源连接方式，使电流相位差90°，可有效地消除AC电弧间的磁影响。
(2)5根丝的设置，按1丝前倾，后随4根丝依次逐步过渡到后倾的方式排列，1丝前倾角一般不超过25°、而5丝后倾角不超过40°时较好。焊丝间距按1～4丝间距相等而4～5丝间距稍大或1～5丝依次增大的方式进行设置，各丝间距在15～30mm时，电弧燃烧稳定，焊缝形貌较好。焊丝伸出长度比三丝焊时要长，一般取9d～11d较佳。五丝埋弧焊的焊丝直径应根据焊接电流来选取，当5根焊丝的电流均在同一焊丝直径的适应电流范围内时，可采用相同直径的焊丝组合焊接。
(3) 大口径埋弧直缝钢管五丝埋弧焊的焊接电流和电弧电压的设置，可按1丝大电流、小电压逐步过渡到5丝小电流、大电压。其电流的降幅一般按前一丝的10%～30%逐步降低，电弧电压的升幅按1～3V逐步增大。1丝的电压应选择在31～34V，5丝的电压在39～43V，可取得良好的焊接效果。
(4)经过工业试验，厚壁管五丝埋弧焊焊速比三丝焊可提高70%以上。
(5)五丝焊比三丝焊多消耗焊剂10%～40%，堆积高度一般在45～55mm。应选用颗粒细、熔点高、黏度适中、稳弧性好的高碱型焊剂。
(6) 直缝钢管五丝埋弧焊工艺已在大直径、厚壁直缝埋弧焊钢管生产中成功应用。
河北龙马钢管制造股份有限公司专业生产埋弧钢管，直缝钢管，大口径钢管，厚壁钢管，钢管，双面埋弧焊直缝钢管，大口径高频直缝钢管，大口径厚壁直缝焊管，API管线钢管，短螺纹石油套管等钢管产品，多年来致力于钢管行业的生产和研发，有着丰富的生产技术和优秀的生产设备，是河北省较为优秀的直缝钢管生产企业。 |
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