LNG不锈钢管线实芯焊丝脉冲焊接.pdf

189工 艺 与 装 备LNG 不锈钢管线实芯焊丝脉冲焊接兰庆鹏潘向龙王辉厉运田刘元栋（海洋石油工程（青岛）有限公司，青岛 266520）摘要：简要分析海洋油气平台用 316 型不锈钢的焊接性和目前采取药芯焊丝焊接存在的问题，采取实芯焊丝脉冲气保护焊方式进行焊接，并在焊接完成后对焊接接头开展无损检测、机械性能测试、晶间腐蚀及微观组织分析。结果显示，使用实芯焊丝脉冲气保护焊完成的焊接接头成型优异，机械性能、抗腐蚀能力、抗热裂能力均满足设计需求，是一种适用于不锈钢管线安装阶段施工的焊接方式。关键词：316 型不锈钢；实芯焊丝；脉冲焊接LNG Stainless Steel Process Piping Solid-Wire Pulse WeldingLAN Qingpeng,PAN Xianglong,WANG Hui,LI Yuntian,LIU Yuandong(Offshore Oil Engineering(Qingdao)Co.,Ltd.,Qingdao 266520)Abstract:Here by briefly introduces the weldability of 316 stainless steel for offshore oil and gas platforms and the problems existing in the current use of flux cored wire welding,and the welded joints were tested by pulse welding using solid core welding wire,and non-destructive testing and physical testing of the welded joints were carried out after the welding was completed.The overall results show that the welded joint has excellent forming and mechanical properties meet the design requirements.Keywords:316 stainless steel;solid welding wire;pulse welding海洋油气管线或者液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）模块化工厂中管线数量和种类较多。其中，316 型不锈钢管线由于耐腐蚀性能较高，应用场景较为广泛1。在公司承建的LNG模块化工厂项目中（见图1）存在大量不锈钢工艺管线，直径最大可达 2 m。不锈钢管线在预制阶段可以采取高效的埋弧焊施工，但是在工艺管线的总装阶段受限于施工环境限制，目前以手工氩弧焊为主，缺少较高效的焊接施工方法，制约了施工效率的提高。图 1典型工艺模块药芯焊丝焊接由于焊接效率较高，在模块化工厂项目建造过程中应用广泛2，但用于不锈钢焊接时存在局部位置焊接成型不良的问题。为了解决施工问题，公司采用机械轨道式的自动焊接方法，并采用实芯焊丝和脉冲焊接工艺。文章主要介绍手工半自动焊接存在的问题，结合轨道式自动焊，介绍实芯焊丝脉冲自动焊接的特点，同时对焊接接头开展一系列测试和功效分析，为行业内大口径厚壁的不锈钢管线施工提供参考。1焊接方案1.1焊接方法不锈钢添加了诸多合金元素，熔点及比热容较高，因此在焊接过程中焊接接头温度升温快、降温慢。不锈钢管线焊接施工中，熔池铁水流动性偏差，全位置焊接在仰焊位置附近铁水在重力作用下下坠，焊工控制熔池难度极大，在如图 2 所示的仰焊位置极易造成焊接成型不良问题。为改善成型，目前焊工施工中经常采用断弧焊加打磨方式施工，较易出现夹渣和气孔缺陷。图 2药芯焊丝半自动仰焊成型轨道式机械焊焊接过程无须人为干预，焊接过程均匀，因此对于焊接热输入量的控制更优良。如图 3所示，相较于图 2 的手工半自动，轨道式机械焊在仰焊位置焊道成型焊道平滑度更高，但存在焊接飞溅偏现 代 制 造 技 术 与 装 备1902023 年第 9 期总第 322 期大、成型较难控制的难题。仰焊位置飞溅极容易堵塞导电嘴，同时大颗粒的飞溅容易造成自动焊接设备的损坏。因此，药芯焊丝轨道式机械焊并非最佳选择。图 3药芯焊丝机械焊仰焊成型选择热量集中、热输入小的焊接方法是解决不锈钢焊接成型不良的有效方式。熔化极脉冲气体保护焊是一种采取脉冲电流进行焊接的方法。电流波形有正弦波、矩形波等。这种焊接方法的电流是在较小的基值电流上叠加周期性的高峰值脉冲电流，使得脉冲焊接的波形可在较宽的范围内调节3，而熔滴的过渡形式基本为喷射过渡。虽然脉冲电流的峰值较高，如 180 320 A，但是整体导电时间很短，加之基值电流较小，如50 60 A，脉冲焊接的平均电流比连续喷射过渡的电流低很多。例如，不锈钢 1.0 mm 直径实芯焊丝，焊接平均电流 50 60 A 就可以实现喷射过渡。因此，不锈钢的实心焊丝脉冲焊接是一种低电流、喷射过渡的焊接方式。焊接过程热输入量基本可以控制在0.5 0.8 kJ mm-1。相较于药芯焊丝，它的热输入量下降 2/3 左右。熔滴的喷射过渡可以有效保证熔滴与母材的融合，有效避免未熔合缺陷的产生。整体而言，实芯焊丝脉冲焊接有利于不锈钢类的材料焊接。1.2焊丝及焊接保护气体对于不锈钢熔化极气体保护焊而言，实芯焊丝一般采用单一的氩气（纯度不低于 99.99%）作为焊接保护气。为了增加熔池的流动性，可以选择增加一定比例的氧化性气体。通常可以在纯氩气中增加 1%2%的 O2或者 CO24。氧化性气体的加入可以有效稳定阴极斑点，增强电子的发射能力，降低熔滴和熔池的表面张力，增加熔池的流动性，提高焊缝的润湿性，使脉冲喷射过渡过程更加稳定。一般应用 2%的 O2或者5%CO2气体就可以获得非常美观的焊缝成型。但是，随着氧化性气体的增加，熔池表面的轻微氧化现象加剧，元素烧损增加，焊缝的性能存在下降的可能。因此，匹配的实心焊丝中需要至少增加质量分数为 0.5%的硅（Si）元素。硅元素的添加可以有效脱氧，焊接时熔池清晰，飞溅少，同时流动性和润湿性较好。在工艺开发中选取广泰生产的 KMS-316LSi 焊丝，硅元素添加量为 0.65%1.00%，具体化学成分见表 1，焊接保护气体最终选择了 98%Ar+2%CO2。表 1焊丝化学成分 单位：%元素质量分数元素质量分数C0.014Ni12.580Mn1.730Cr18.880Si0.820Mo2.530P0.019Cu0.010S0.010N2工艺试验2.1焊接试件的坡口、组对工艺试验中选取制造标准为ASTM A358 GR.316/316L 的不锈钢钢管，钢管中碳含量低于 0.035%，符合 TP316L 等级钢种，同时拉伸强度符合 316 类型钢种最低 515 MPa 的标准。钢管外径为 457 mm，壁厚为 29 mm，工艺开发依据 ASME IX-2020 标准执行，其中坡口设计采用 ASME B31.32020 标准中的复合坡口，并采用冷机加工对试件进行坡口制备。工艺开发所使用的坡口形式如图 4 所示。37.519 mm12.5图 4坡口形式及制备由于自动焊封底对于组对的公差要求高，组对误差需控制在 0.5 1.5 mm，组对间隙控制在 1.0 1.5 mm。车间内部管线预制阶段可以通过一定的修复和调整手段达到精度要求，但对于管线安装阶段达到自动焊封底精度难度较高，一旦出现缺陷，返修工作量较大。因此，工艺开发中封底焊接使用手工氩弧焊。热焊道及填充、盖面焊道均采用熔化极脉冲气保护焊施工。试验中采取的焊接参数如表 2 所示，采取的脉冲波形为正弦波，焊接方法为钨极气体保护电弧焊（Gas Tungsten Arc Welding，GTAW）和 GMAW-P。191工 艺 与 装 备脉冲电弧中基值电流起维持电弧燃烧、预热焊丝与母材的作用。基值电流不能取得过大，否则脉冲焊的特点不明显，通常 50 80 A 比较合适。脉冲峰值电流是决定脉冲能量的重要参数，影响着熔滴的尺寸、过渡力和母材的熔深，可根据工艺需要调节脉冲电流幅值来调节熔深。喷射过渡的特征随着脉冲能量参数明细不同，焊接过程可以选择较大的脉冲电流，如峰值电流选择 270 320 A，此时熔滴过渡频率大于脉冲，过渡有力，过程稳定，但焊接速度相对较快，对焊工要求偏高。焊接也可以选择中等程度电流，如峰值电流选择 180 220 A，此时脉冲基本与熔滴过渡同步，过渡稳定无飞溅。表 2焊接参数焊接 方法直径/mm基值电流/A峰值电流/A平均电流/A脉冲频率/Hz电弧电压/V焊接速度/（mmmin-1）热输入/（kJmm-1）GTAW2.4100 14013 1450 1001.3 1.5GMAW-P0.955 65180 22085 905016 17220 2600.4 0.8如图 5 所示，焊道表面成型对比的不锈钢药芯焊丝有了极大改观，焊接焊道成型美观均匀细腻，焊道呈金黄色，基本无飞溅。（a）填充焊道成型（b）盖面焊道成型图 5熔化极脉冲气保护焊焊道成型2.2焊接工艺要点第一，以往项目工艺管线施工过程中，焊接接头一般采用 V 形 60坡口形式，焊材熔敷量大，焊接功效较低。采用图 4 的复合坡口可以有效降低熔敷金属量，缩短施工时间。由于上侧坡口夹角变小，常规的焊枪导电嘴尺寸偏大，焊接过程极容易造成未熔合缺陷，施工中需要设计小尺寸的导电嘴，保证焊枪摆动过程中不会与坡口直边侧发生干涉。第二，不锈钢焊缝熔池流动性差，电弧在两侧停顿，无法有效带动熔池，因此摆动频率不能过快。采用大摆频的情况下可以采用更大电流，同时匹配更高的行走速度。此外，焊枪摆动幅度、频率、行走速度以及两侧边缘停留时间必须合理匹配。第三，自动焊焊枪角度一般保证垂直 90，无须前倾或后倾。第四，施工中随时观察熔池融合情况，对于焊道中出现的沟槽较大等问题需要提前打磨处理。坡口两侧的焊道无须追求过大焊肉厚度，建议采用薄焊道快速多道焊接，以有效避免未熔合缺陷。2.3无损检验和理化试验焊接完成后对焊接接头开展渗透检测（Penetrant Testing，PT）和射线检测（Radiographic Testing，RT）。测试显示，焊道内部无任何缺陷，特别是并未出现未熔合、气孔等缺陷，射线探伤为 1 级片。随后对焊接接头进行拉伸强度测试、弯曲塑性测试、冲击韧性测试、宏观测试、硬度测试、铁素体含量测试以及晶间腐蚀测试。2.3.1机械性能测试机械性能试验按照锅炉及压力容器规范焊接和钎焊评定（ASME IX 2007）开展，分别机加工 2 组减截面拉伸试样、4 组表面弯曲试样、2 组硬度试样及 6 组（每组 3 个试样）低温冲击韧性试样进行试验。表 3 表 6 为焊接接头机械性能测试数据，其中表 6中接受标准为不高于 248 HV。图 6 为焊接接头的测试点示意图。表 3焊接接头拉伸强度测试结果试样编号拉伸强度/MPa断裂位置接受标准/MPa结论A1593母材515合格A2615母材515合格现 代 制 造 技 术 与 装 备1922023 年第 9 期总第 322 期表 4焊接接头弯曲塑性测试结果试样编号弯曲结果接受标准结论A3180无开裂弯曲 180无开裂或开裂长度不超过 0.25 mm合格A4180无开裂合格A5180无开裂合格A6180无开裂合格表 5冲击韧性测试（测试温度-196）试样 编号测试位置侧向膨胀值/mm接受标准/mm结论A7根部焊缝中心0.69/0.76/0.60 0.38（单值）合格A8根部熔合线1.13/1.13/1.24合格A9根部熔合线+2 mm1.71/1.50/1.71合格A10填充焊缝中心0.54/0.80/0.51合格A11填充焊缝熔合线1.14/1.41/1.20合格A12填充焊缝熔合线+2 mm1.57/1.50/1.79合格测试结果表明：使用实芯焊丝脉冲气保护焊接完成的焊接接头机械性能测试结果满足标准要求，性能优良。表 6焊接接头硬度（HV10）单位：HV位置A 侧 母材A 侧热 影响区焊缝B 侧热 影响区B 侧 母材1217213/211161/165/154217/2082132208225/229179/207/185232/2382253223238/227206240/240230接受标准 248结论合格合格合格合格合格2.3.2铁素体数测试铁素体数（Ferrite Number，FN）是用磁性技术定量测定铁素体含量的相对指标。研究表明，一定数量的铁素体的存在，如铁素体数介于 3 8，可以有效避免热裂纹5。试验中按照设计规格书要求，测量并统计焊缝根部和填充焊缝的铁素体数，每个测量位置测量 3 次。如表 7 所示，测试结果显示，整个焊接接头铁素体数均在标准范围之内，说明接头具备良好的抗热裂纹能力。热影响区母材30.5 mm0.2 mm热影响区母材1.5 mm焊缝211.5 mm图 6焊接接头硬度测试点示意图表 7铁素体数测试数据测试位置铁素体数接受标准结论根部焊缝中心4.7/5.5/6.03 8合格填充焊缝5.4/6.2/6.03 8合格2.3.3晶间腐蚀晶间腐蚀采用奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感性检测方法方法 E，测试溶液为 700 mL 蒸馏水中溶解 100 g CO45H2O，随后添加 100 mL 浓硫酸，使用蒸馏水稀释至 1 000 mL。试样尺寸为 10 mm 25 mm75 mm（厚 宽 长），减薄试样，从焊接试验件的内表面向外表面保留厚度为 10 mm，试样包含根部焊道和填充焊道。试验时间为 15 h，整个试验期间溶液保持沸腾，沸腾后开始计时。试验结束后对试样进行 180弯曲试验，10 倍放大镜下检查试样是否出现裂缝或裂纹。通过观察图 7 试样可以发现，试样出现了变形线但未出现任何裂纹，符合验收标准，证明焊接接头抗晶间腐蚀能力较强。图 7晶间腐蚀试样-180弯曲2.3.4微观金相分析焊接接头使用 10%草酸电解并按照金属材料（下转第 196 页）现 代 制 造 技 术 与 装 备1962023 年第 9 期总第 322 期6测试结果及分析全向轮底盘长为 1 000 mm、宽为 1 000 mm，底盘单个驱动轮半径为 75 mm，底盘质量为 9.2 kg，在长为 10 m、宽为 9 m 的区域内。全向轮底盘执行根据比赛路径设定不同规划速度的不同路径。经过大量测试，机器人的路径跟随误差在 2.5 cm 以内，位姿跟随误差在 0.04 rad 以内，满足实际比赛的需求，如表 1 所示。表 1测试数据序号理论 距离/mm实际 距离/mm误差 绝对值/mm理论 角度/（）实际 角度/（）误差偏移 角度/（）11 5001 501.61.69091.11.121 5001 501.21.29090.50.531 5001 502.32.39092.12.141 5001 501.21.29091.51.551 5001 501.71.79088.91.161 5001 502.42.49088.71.371 5001 502.12.19092.12.181 5001 501.11.19090.80.891 5001 500.90.99091.31.3101 5001 502.42.49091.11.17结语该全向轮底盘作为机器人的基础运动平台，在参加 2020 大学生机器人大赛过程中运动控制效果良好，满足竞赛对于精准度的要求。此外，提出的定位和路径规划可以推动全向移动机器人的发展。参考文献1 李圣达，郑宇锋，吕娜，等.基于定向搜索 A*算法的平滑路径规划 J.大连交通大学学报，2022（5）：103-108.2 林承志，李勇.机器人检测行业现状及发展 J.质量技术监督研究，2019（2）：36-39.3 黄志锋，刘媛华.基于四阶贝塞尔曲线和改进狮群优化算法求解路径规划问题 J.信息与控制，2023（2）：176-189.4 张金炜，王文扬，郭蓬，等.基于蚁群四次贝塞尔曲线的无人车路径规划 J.现代电子技术，2019（13）：113-116.5 李文学，饶运清，戚得众，等.全向轮机器人路径规划与导航系统设计 J.机械设计与制造，2014（12）：18-22.的破坏性试验-焊缝宏观和微观检验测试标准进行微观金相分析。图 8 为焊缝金属区域放大 500 倍后的图像，经分析组织为奥氏体及枝晶状铁素体，呈柱状晶分布。图 9 为热影响区域放大 500 倍后的图像，经分析组织为奥氏体基体上分布着条状、串链状铁素体，接头不存在有害组织。测试结果表明，316 型不锈钢实心焊丝脉冲焊接可以获得组织优异的焊接接头。20 m20 m 图8焊缝金属（500）图9热影响区熔合线（500）测试表明，采用含硅元素的 316 型不锈钢实芯焊丝使用脉冲气保护焊接可以获得外观成型优异、力学性能优良、抗热裂能力强、抗晶间腐蚀能力强、微观组织优异的焊接接头。3结语不锈钢管线焊口采用含有硅元素的实芯焊丝利用用脉冲气保焊自动焊工艺，焊接过程飞溅小，焊接接头成型美观、均匀、细腻，可以明显改善以往使用药芯焊丝出现的外观成型差的现象。不锈钢实芯焊丝脉冲气保护自动焊，焊接过程中过渡形式为喷射过渡，可以有效保证熔透深度，获得高质量的焊接接头。同时，焊接接头较为纯净，整体机械性能、抗热裂能力、抗晶间腐蚀能力较强，微观组织优异，是一种适用于不锈钢管线安装阶段施工的焊接方式。参考文献1 宋桂锋.石化工程中奥氏体不锈钢焊接技术的研究 J.石化技术，2020（1）：300-301.2 马蕊，王轶群，王鹏.不锈钢药芯焊丝熔化极气体保护焊性能对比分析及应用 J.中国化工装备，2022（3）：35-39.3 万春锋，代新雷.奥氏体不锈钢脉冲 MIG 焊工艺研究 J.山东化工，2016（4）：73-75.4 唐元生，王绍智.不锈钢管道实芯焊丝脉冲 MIG 焊接 J.金属加工（热加工），2010（6）：28-30.5 李伟，奚泉，张怡典.18-8 型奥氏体不锈钢焊接热裂纹的分析 J.山东化工，2015（9）：119-120.（上接第 192 页）