长输管道全位置用气保护药芯焊丝下向半自动焊接方法
阅读说明：本技术 长输管道全位置用气保护药芯焊丝下向半自动焊接方法 (Full-position downward semi-automatic welding method for gas shielded flux-cored wire of long-distance pipeline ) 是由 吴立斌 陈劲 李锋 李翔 杨平 余尚林 李阳 钟灵毓姝 李丹枫 黄�俊 黄涛 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种长输管道全位置用气保护药芯焊丝下向半自动焊接方法,包括以下步骤：对长输管道进行坡口加工和组对后,采用多层多道焊接方式对管道进行焊接,其中,根焊层采用钨极氩弧焊,热焊层、填充焊层和盖面焊层均采用气保护药芯焊丝下向半自动焊接；气保护药芯焊丝下向半自动焊接以纯CO-(2)为保护气体,碱性药芯焊丝为焊材,焊接方向为下焊接,使用直流正接,且焊接电流为110～170A,焊接电压为16～20V,施焊位置包括平直地段和山区地段,长输管道的直径范围为300mm以上,壁厚范围为8mm以上。本发明能够提高焊接效率和焊缝韧性,适用于全位置、全地形、多种坡口形式的长输管道焊接。(The invention provides a full-position downward semi-automatic welding method for a gas shielded flux-cored wire of a long-distance pipeline, which comprises the following steps of: after groove processing and assembly are carried out on the long-distance pipeline, the pipeline is welded by adopting a multilayer and multi-pass welding mode, wherein a root welding layer adopts argon tungsten-arc welding, and a hot welding layer, a filling welding layer and a cover surface welding layer are all semi-automatically welded downwards by adopting a gas shielded flux-cored wire; gas shielded flux-cored wire downward semi-automatic welding with pure CO 2 In order to protect gas, the alkaline flux-cored wire is used as a welding material, the welding direction is downward welding, direct current is used for positive connection, the welding current is 110-170A, the welding voltage is 16-20V, the welding position comprises a straight section, a mountain section and a long-distance pipelineHas a diameter of 300mm or more and a wall thickness of 8mm or more. The invention can improve the welding efficiency and the toughness of the welding seam, and is suitable for the welding of long-distance pipelines in all positions, all terrains and various groove forms.)
技术领域
本发明涉及管道焊接技术领域，具体来讲，涉及一种长输管道全位置用气保护药芯焊丝下向半自动焊接方法。
背景技术
随着石油工业的不断发展，管道输送油气以其安全、经济、高效、环保得到了迅猛的发展，管道的焊接质量作为保证其安全运行的基础和根本显得尤为重要。在长输管道建设中，管道现场焊接所采用的焊接工艺方法已由传统的手工向下焊工艺，逐步向半自动化、全自动化迈进。但由于受地形因素和经济成本等诸多因素的限制，全自动焊的发展比较缓慢，只能在我国某些平坦地区的管道工程中进行部分试用。
目前，半自动焊接技术正以其独特的优势在长输管道建设中得到广泛应用。在现场焊接过程中，普遍采用半自动药芯自保护焊接和气保护药芯焊丝半自动焊接两种焊接方式对长输管道进行焊接。药芯焊丝是由薄钢带卷成圆形钢管或异形钢管的同时在其管中填满一定成分的药粉经拉制而成的一种焊接。而半自动药芯自保护焊接是通过自保护药芯焊丝芯部药粉中造气剂、造渣剂在电弧高温下产生的气、渣对熔滴和熔池进行保护的电弧焊方法。它是采用自保护(CaF2-TiO渣系保护)方式进行焊接，电源极性采用直流反接，焊接方向是下向焊。但自保护药芯焊接时，焊丝熔化进入管道焊缝时需要克服重力影响，所以需要下方已凝固焊缝金属具有一定的厚度进行支撑，所以采用上向焊接方法时单条焊缝厚度较厚。导致了总焊接层数减少，进一步的，减少了后一道焊缝对前一道焊缝的后热次数，金属的晶粒组织得不到充分细化，减低了焊缝的韧性。相对于气保护药芯焊丝而言，自保护药芯焊丝飞溅较大，烟尘较多，由于需要加入更多酸性药芯成分保护焊缝与空气接触反应，熔敷金属的韧性更低。
气保护药芯焊丝半自动焊接则是利用在电弧热作用下熔化状态的焊剂材料、焊丝金属、母材金属和保护气体相互之间发生冶金作用，同时形成一层较薄的液态熔渣包覆熔滴并覆盖熔池，对熔化金属形成了又一层的保护。气体保护药芯焊丝其焊接过程是双重保护，为气渣联合保护，可获得较高的焊接质量，电源极性采用直流正接，焊接方向是上向焊。相对于自保护药芯焊丝而言，气保护药芯焊丝的焊接速度更快，焊接质量更高。
然而，不论自保护半自动焊接还是气保护半自动焊接，为了保证焊接操作性，均采用以金红石为主要药芯成分的酸性药芯焊丝，其组分氧化性较强，不易去除焊缝金属中的扩散氢，并在焊缝金属中有较多的非金属夹杂物残留，导致焊缝的韧性不稳定，偏低，有比较大的开裂风险。而且，酸性药芯焊丝只能用直流反接的方式进行向上焊接，使用混合气体作为保护气体，焊接速度慢，焊接热输入高，容易导致焊缝冲击韧性降低。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种既能够保证焊接质量和焊接效率，又能够广泛适用于全位置、全地形、多种坡口形式的长输管道全位置用气保护药芯焊丝下向半自动焊接方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种长输管道全位置用气保护药芯焊丝下向半自动焊接方法，所述气保护药芯焊丝下向半自动焊接方法包括以下步骤：根据长输管道不同管段的焊接需求，对长输管道进行坡口加工和组对后，采用多层多道焊接方式对管道进行焊接，其中，根焊层采用钨极氩弧焊，热焊层、填充焊层和盖面焊层均采用气保护药芯焊丝下向半自动焊接；所述气保护药芯焊丝下向半自动焊接以纯CO2为保护气体，碱性药芯焊丝为焊材，焊接方向为下焊接，电源极性使用直流正接，且焊接电流为110～170A，焊接电压为16～20V，施焊位置包括平直地段和山区地段，长输管道的直径范围为300mm以上，壁厚范围为8mm以上。
在本发明的一个示例性实施例中，焊接过程中，焊接参数可依据不同焊层而逐步增大，其中，热焊层的焊接参数为：直流正接，送丝速度80～90IPM，焊接电流110～130A，焊接电压16～18V，气体保护流量10～20L/min；填充焊层的焊接参数为：直流正接，送丝速度85～95IPM，焊接电流140～160A，焊接电压16～18V，气体保护流量10～20L/min；盖面焊层的焊接参数为：直流正接，送丝速度90～100IPM，焊接电流150～170A，焊接电压16～18V，气体保护流量10～20L/min。
在本发明的一个示例性实施例中，所述碱性药芯焊丝的直径可为1.2～1.4mm和1.6mm。
在本发明的一个示例性实施例中，所述碱性药芯焊丝的具体化学元素组分可包括：C元素的质量分数含量为0.077％～0.08％，Si元素的质量分数含量为0.07％～0.09％，Mn元素的质量分数含量为1.37％～1.5％，P元素的质量分数含量为0.008％～0.01％，S元素的质量分数含量为0.002％～0.005％，Cr元素的质量分数含量为0.02％～0.03％，Mo元素的质量分数含量为0.01％～0.02％，Ni元素的质量分数含量为1.95％～2.15％，Cu元素的质量分数含量为0.01％～0.02％，Al元素的质量分数含量为1.01％～1.25％。
在本发明的一个示例性实施例中，管口组对的坡口钝边可为0.5～1.5mm，组对间隙可为2.5～3.5mm。
在本发明的一个示例性实施例中，所述管口组对可使用外对口器。
在本发明的一个示例性实施例中，当长输管道的对接管材有制管焊缝时，可打磨焊缝至母材齐平，打磨长度不小于100mm，管口组对错边不大于壁厚的10％且沿周长均匀分布。
在本发明的一个示例性实施例中，热焊和填盖焊设备具有平外特性且电流、电压曲线下降率不大于5％；焊接线缆大于50平方毫米规格、长度控制在25米以下；长度超过30米时使用规格为75平方毫米的线缆。
在本发明的一个示例性实施例中，在气保护药芯焊丝下向半自动焊接过程中，可使用手工移动焊接热源，以机械化装置填入碱性药芯焊丝。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：
(1)本发明采用了气体保护(纯CO2气体保护)，相较于传统使用自保护药芯焊丝，其为气渣联合保护，提高了焊接质量，可完全取代长输油气管道自保护半自动焊施工工艺；而相较于气保护药芯焊丝采用80％Ar+20％CO2的混合气，纯CO2气体冷却速度更快，一定程度上减小了熔敷金属对较大热输入的敏感性，焊缝冲击性能更高，焊接接头力学性能更优；
(2)本发明采用下向焊接，较一般药芯焊丝气保护半自动上向焊接的速度更快，提高了焊接效率，向下焊接时焊接速度可提高4cm/min；
(3)本发明的焊丝采用低氢碱性药芯成分，相比一般采用酸性药芯成分，降低了焊缝金属中扩散氢含量，提高了管道焊缝的韧性，减小了焊缝裂纹风险；
(4)本发明的半自动焊接方法，与全自动焊接方法(适用管道直径为813mm及以上，壁厚适用范围为13mm及以上)相比，可以适用于直径达到300mm及以上，壁厚范围达到8mm及以上的全位置(包括6G位置(斜45°位置固定焊接)、5G位置(水平固定焊接)、和2G位置(垂直固定))、全地形(包括平直地段和山区地段)、多种坡口形式的管道焊接，且焊接设备简单，人员基础要求低，其单口成本不到全自动焊接的50％。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和/或特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出了本发明的一个示例性实施例的外对口器进行组对的结构示意图。
图2示出了本发明的一个示例性实施例的焊缝组对的结构示意图。
图3示出了本发明的一个示例性实施例的V型坡口的结构示意图。
图4示出了本发明的一个示例性实施例的复合型坡口的结构示意图。
图5示出了本发明的另一个示例性实施例的外对口器的结构示意图。
具体实施方式
在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的长输管道全位置用气保护药芯焊丝下向半自动焊接方法。
发明人经现场操作发现：气保护药芯焊丝全自动焊接对地形、坡口形式、组对方式、焊接设备等要求极为严格，不具备普遍适用性，且耗费成本极高。其只能适用于部分管道直径为813mm及以上，壁厚为13mm及以上的管道焊接，施焊位置多为平直地段，在山区地段适用困难。
与全自动焊接方法相比，半自动焊接对地形、设备等要求较高，能够适用于不同管径和壁厚的管道的全位置、全地形施焊。
然而，半自动药芯自保护焊接工艺经多年使用，因其冲击韧性离散性强，止裂性能较差等多方面原因已不能满足长输管道建设要求。这是因为在钢焊缝中，氢大部分是以氢原子或离子的形式存在的，它们与焊缝金属形成间隙固溶体。由于氢原子和离子的半径很小，这一部分氢可以在焊缝金属的晶格中自由扩散，故称之为扩散氢。扩散氢可能在焊缝中形成氢气分子，由于体积剧烈增大会产生焊缝开裂风险。而目前长输管道半自动焊接用气保护药芯焊丝均为以金红石(较纯的二氧化钛)为主要成分的酸性药芯焊丝，其组分氧化性较强，不易去除焊缝金属中的扩散氢，并在焊缝金属中有较多的非金属夹杂物残留，导致焊缝的韧性不稳定，偏低，有比较大的开裂风险。酸性药芯焊丝只能用直流反接的方式进行向上焊接，使用混合气体作为保护气体，焊接速度慢，焊接热输入高，容易导致焊缝冲击韧性降低。
发明人经研究发现：与酸性组分焊材相比较，碱性组分的药芯焊丝去除了金红石成分，同时加入Na和K盐混合物可以提供一定的电子辅助，有助于降低焊缝金属中扩散氢含量，提高管道焊缝的韧性，减小焊缝裂纹风险。而且碱性药芯焊丝的焊接方向可以采用下向焊，有助于提高焊接效率。
使用碱性药芯焊丝下向半自动焊接方法对长输管道进行焊接，既能够保证焊接质量和焊接效率，又能够广泛适用于全位置、全地形、多种坡口形式的长输管道。
为了实现上述目的，在本发明的一个示例性实施例中，本发明提供了一种长输管道全位置用气保护药芯焊丝下向半自动焊接方法，包括以下步骤：
根据长输管道不同管段的焊接需求，对长输管道进行坡口加工和组对后，采用多层多道焊接方式对管道进行焊接，其中，根焊层采用钨极氩弧焊，热焊、填充焊和盖面焊均采用气保护药芯焊丝下向半自动焊接。气保护药芯焊丝下向半自动焊接以纯CO2为保护气体，碱性药芯焊丝为焊材，焊接方向为下焊接，使用直流正接，且焊接电流为110～170A，焊接电压为16～20V。施焊位置包括平直地段和山区地段，长输管道的直径范围为300mm以上，壁厚范围为8mm以上。
在本实施例中，管口组对可使用外对口器进行组对，坡口钝边可为0.5～1.5mm，组对间隙可为2.5～3.5mm。坡口加工使用内涨式坡口机进行管口加工，当对接管材有制管焊缝时，应打磨焊缝至母材齐平，且打磨长度不小于100mm，组对错边不大于壁厚的10％且沿周长均匀分布。热焊、填盖焊设备应具有平外特性且电流、电压曲线下降率不大于5％。焊接线缆不应小于50平方毫米规格、长度应控制在25米以下；长度超过30米时应使用规格为75平方毫米的线缆。外对口器进行组对的结构示意图如图1所示，焊缝组对的结构示意图如图2所示。
坡口形式可包括V型坡口和复合型坡口。一般来说，对于厚度为17mm及以上的长输管道可采用复合型坡口，厚度为17mm以下的长输管道可采用V型坡口。两种坡口形式均适用于各种地形，但与V型坡口相比，复合型坡口能够减少焊接熔敷量。故优选地，可对长输管道采用复合型坡口。
在本实施例中，碱性药芯焊丝的具体化学元素组分可包括：C元素的质量分数含量为0.077％～0.08％，Si元素的质量分数含量为0.07％～0.09％，Mn元素的质量分数含量为1.37％～1.5％，P元素的质量分数含量为0.008％～0.01％，S元素的质量分数含量为0.002％～0.005％，Cr元素的质量分数含量为0.02％～0.03％，Mo元素的质量分数含量为0.01％～0.02％，Ni元素的质量分数含量为1.95％～2.15％，Cu元素的质量分数含量为0.01％～0.02％，Al元素的质量分数含量为1.01％～1.25％。同时焊丝药芯成分中加入Na和K盐混合物可以提供一定的电子辅助，从而减小了焊接飞溅，提高了电弧稳定性。碱性药芯焊丝的直径可为1.2～1.4mm和1.6mm，能够适用于不同的焊接方法。例如，碱性药芯焊丝的直径可以为1.2mm、1.4mm、1.6mm。
在本实施例中，优选地，焊接过程中，焊接参数可依据不同焊层而逐步增大。其中，热焊层的焊接参数为：直流正接，送丝速度80～90IPM，焊接电流110～130A，焊接电压16～18V，气体保护流量10～20L/min；填充焊层的焊接参数为：直流正接，送丝速度85～95IPM，焊接电流140～160A，焊接电压16～18V，气体保护流量10～20L/min；盖面焊层的焊接参数为：直流正接，送丝速度90～100IPM，焊接电流150～170A，焊接电压16～18V，气体保护流量10～20L/min。其焊接参数适应性较好，焊接参数设置完成后可适用整管焊接，并焊接过程中随焊接厚度增加，焊接参数逐步放大。
另外，在气保护药芯焊丝下向半自动焊接过程中，可使用手工移动焊接热源，以机械化装置填入碱性药芯焊丝。
在本发明中，相较于现有气保护药芯焊丝半自动上向焊接，向下焊接时焊接速度可提高4cm/min，提高了焊接效率。
针对自保护药芯焊丝扩散氢含量较高、现有气保护药芯焊丝上向焊焊接热输入大，焊接接头冲击韧性不高的缺点，本发明使用碱性气保护药芯焊丝下向焊大大增加了焊接速度，减小了焊接热输入，其扩散氢含量≤4mL/100g；同时因使用纯CO2作为保护气体，相较于80％Ar+20％CO2混合气的冷却速度更快，一定程度上减小了熔敷金属对较大热输入的敏感性，焊缝冲击性能更高，焊接接头力学性能更优。而且碱性药芯焊丝使用下向焊焊接时，焊接极性必须选择直流正接，同时保护气体使用纯CO2作为保护气体，保证了焊接时电弧吹力和熔深，使得焊缝成型好，特别是仰焊位置焊缝不易出现凸起现象。
本发明使用的碱性药芯焊丝对扩散氢含量上限进行了限制(扩散氢上限H4)，因此碱性药芯焊丝低扩散氢含量及较少的有害杂质，保证焊缝组织大量的针状铁素体，因而获得了优异的力学性能。本发明提供的焊接方法形成的焊材熔敷金属的抗拉强度达600～680MPa；夏比V型缺口冲击吸收功为80～250J，其稳定性远优于自保护药芯焊丝半自动焊接形成的焊材熔敷金属；维氏硬度(HV10)为170-270；断裂韧性试验(CTOD试验)大于0.254。
为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合附图和具体示例对其进行进一步说明。
示例1
操作步骤：坡口加工(多种坡口形式)—焊缝组对(外对口器组对)—根焊(钨极氩弧焊)—填充焊盖面焊(气保护碱性药芯焊丝下向半自动焊接)。
坡口加工：坡口是主要为了焊接工件，保证焊质量，根据长输管道不同管段的焊接需求，对长输管道选用不同的坡口形式进行坡口加工。以如下两种坡口形式进行例举：
(1)V型坡口：V型坡口的结构示意图如图3所示，其中，T为壁厚，取值范围为8mm以上；α为坡口度数，取值范围为24°～26°；p为钝边，取值范围为0～2.5mm；b为对口间隙，取值范围为2.5～4.0mm。
(2)复合型坡口：复合型坡口的结构示意图如图4所示，其中，坡口形式为双V型；T为壁厚，取值范围为8mm以上；α为坡口度数，取值范围为30°，β为坡口度数，取值范围为14°～16°；H为拐点，取值范围为4.9mm～5.3mm；p为钝边，取值范围为1.0mm～1.4mm；b为对口间隙，取值范围为2.5mm～4.0mm。
管口组对：管口组对可以使用如图5所示的外对口器进行组对，坡口钝边为1.0mm，组对间隙为3.5mm。
填盖焊材：碱性气保护药芯焊丝，Φ1.6mm下向填盖焊，使用直流正接。碱性药芯焊丝的具体组分包括25％～40％的CaF2，25％～40％的CaO，20％～35％的SiO2，10％～20％的TiO2；具体的化学元素组分如下表1所示。
表1碱性药芯焊丝中的化学元素组分
焊接方式：用于填充、盖面焊接，为多层多道焊接。
焊接参数设置：焊接参数依据不同焊层而渐变，如下表2所示。
表2不同焊接层的焊接参数
注：表中DCEN表示直流正接。
焊接完成后，观察可知：焊缝成型好，没有出现凸起现象，其焊接参数适应性较好，焊接参数设置完成后可适用整管焊接。形成焊缝的单层厚度为2～2.5mm，摆动宽度为8～16mm；整个焊缝可适用于8～30mm壁厚的管材，焊接宽度可为8～30mm。
综上所述，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：
(1)本发明采用了气体保护(纯CO2气体保护)，相较于传统使用自保护药芯焊丝，其为气渣联合保护，提高了焊接质量，可完全取代长输油气管道自保护半自动焊施工工艺。
(2)本发明采用下向焊接，较一般药芯焊丝气保护半自动上向焊接的速度更快，提高了焊接效率，向下焊接时焊接速度可提高4cm/min。
(3)本发明的焊丝采用低氢碱性药芯成分，相比一般采用酸性药芯成分，降低了焊缝金属中扩散氢含量，提高了管道焊缝的韧性，减小了焊缝裂纹风险。
(4)本发明的半自动焊接方法，与全自动焊接方法(适用管道直径为813mm及以上，壁厚适用范围为13mm及以上)相比，可以适用于直径达到300mm及以上，壁厚范围达到8mm及以上的全位置(包括6G位置(斜45°位置固定焊接)、5G位置(水平固定焊接)、和2G位置(垂直固定))、全地形(包括平直地段和山区地段)、多种坡口形式的管道焊接，且焊接设备简单，人员基础要求低，其单口成本不到全自动焊接的50％。
尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。