海洋工程厚板双丝埋弧焊焊接工艺研究

海洋工程厚板双丝埋弧焊焊接工艺研究

卞宏建

启东中远海运海洋工程有限公司

摘要：海上工程具有资源丰富、发电利用小时数高、不占用土地、不消耗水资源和适宜大规模开发的特点，近几年许多国家把风电开发重点转向海上，许多大型风电开发企业、设备制造企业正积极探索海上风电发展之路。随着海上工程项目的蓬勃发展，直缝焊管作为海上风机基础的重要组成构件被广泛应用。由于海上服役的特性，对于焊管的性能（尤其是低温冲击韧性）的要求特别高。此外由于需求量大、工期紧，需要对直缝焊管进行焊接工艺研究，以满足上述要求。基于此，本篇文章对海洋工程厚板双丝埋弧焊焊接工艺进行研究，以供参考。

关键词：海洋工程；厚板双丝；埋弧焊；焊接工艺

引言

随着海洋工程由几十米的浅水水域进入到300m以上水深的深海领域，海洋装备结构物也朝着大型化发展，这在导致钢板厚度增大的同时，也使厚板所占的比例越来越大。作为占海洋工程导管架焊接工作量约40%的卷管接长工作，焊接效率的高低将影响整个项目的建造进度。埋弧焊因其具有焊接速度快、焊缝质量好、成形美观及熔覆效率高等优点，一直以来在钢管卷制接长工作中占有重要的地位，是卷管接长的主要焊接方法。伴随着越来越多的厚板卷管接长工作量，亟需开发更高效的埋弧焊工艺来提升施工效率。提高埋弧焊的焊接效率有多种方法，比如增加焊丝数量、减小熔敷金属面积、提高熔敷速度等方法。根据我公司的实际情况，选用双丝埋弧焊工艺作为提升焊接效率的方法。

1海洋工程项目质量管理体

当一个企业取得ISO9001质量管理体系认证，标志着这个企业向质量管理的规范化和专业化有了极大的迈进，但认证成功本身并不意味着高枕无忧，而是标志着另一个新的开端，重要的是企业的管理体系在实际生产经营过程中的有效运用，特别是与具体的工程项目质量管理实践有机结合，才能真正发挥出先进管理体系的优势和效能。在海洋石油工程企业大的质量管理框架之下，每一个独立的工程项目可以视作另一个子企业，也须建立一套属于自己的行之有效的质量管理体系，项目的子体系脱胎于企业的主体系但又不尽相同，可以说，企业体系是项目体系的前提和基础，项目体系是企业体系的延续和深化。在管理原则上，二者同以ISO质量管理体系八项原则为指导，即：以顾客为关注的焦点、充分发挥领导作用、全员的参与、过程的方法、系统管理、系统的持续改进、以事实为基础的决策方法、与供应方合作共赢的关系。这些原则皆应在项目质量管理的各个阶段和各个过程中得到体现。不同之处在于，项目质量管理体系是在项目周期内对项目本身为实现项目质量目标而进行的一系列活动而进行的管理与控制，融合于项目管理的其他管理过程如进度管理和成本管理等，从一般意见来讲，项目质量管理体系不需经第三方机构的认证，而是在运行中通过目标管理和过程控制达到持续改进。

2双丝埋弧焊介绍

埋弧焊是一种将电弧覆盖在焊剂颗粒和熔渣之下的（半）自动化弧焊方式，是目前生产效率较高的机械化焊接方法之一。在埋弧焊焊接过程中，熔融颗粒焊剂用于保护电弧和熔池免受大气污染。埋弧焊常用于制作对接接头、焊接接头以及多种结构构件，被广泛用于压力容器、潜艇、大型水管、桥梁梁柱等的制造中。通过埋弧焊可以有效进行熔覆，可以使用不锈钢材料对低碳钢进行堆焊，硬质材料可以沉积在较软的基底上。近年来虽然先后出现了多种高效、优质的焊接新方法，但埋弧焊的应用依然未受影响。埋弧焊在各种熔焊方法中约占10%的份额，且多年来一直变化不大。埋弧焊时，通常把未涂覆的线电极作为填充焊接接头的金属材料，将其延伸到焊接接头处产生电弧。料斗向线电极的延伸部位提供粒状焊剂，从而使产生的电弧浸没在粒状焊剂堆中。电极材料应具有低电阻，以便在高电流下焊接。金属电弧燃烧和碱金属熔化形成空腔，该空腔的背面是未熔化的母材，正面是焊丝金属凝固形成的焊接接头。

3海洋工程厚板双丝埋弧焊焊接工艺

3.1试验设备

使用的双丝埋弧焊设备为纵列式DC/AC双丝双电源埋弧焊，焊接电源分别为林肯DC-1000和AC1200，控制箱为NA-3S（DC）和NA-4（AC）。其前导焊丝采用直流电，后随焊丝采用交流电。

3.2焊接工艺

针对直缝焊管生产，采用全熔透对接接头，坡口形式为双面V形。打底焊和埋弧焊分别使用符合AWSA5.18的E81T1-K2C药芯焊丝和符合AWSA5.23焊材组合的F8A8-ENi1-Ni1埋弧焊材，焊前清理坡口并预热，先在坡口角度大的一侧（外坡口侧）用药芯焊打底封口，而后在另一侧（内坡口侧）进行埋弧焊焊接，结束后用碳弧气刨去除打底焊，打磨后再用埋弧焊进行填充。焊接过程严格控制热输入和层间温度，并在焊接完成48h后进行无损检测，检测合格后进行力学性能试验。

3.3焊接参数

预热温度的确定与钢材的淬硬倾向、拘束度以及焊接材料的扩散氢含量有关。钢材的碳当量越大、氢含量越高、厚度越大，产生裂纹的概率也越大，要求的预热温度就越高。根据本试验钢材的碳当量为0.42%，焊接材料扩散氢含量≤5mL/100g以及焊接接头厚度为70mm的情况，结合AWSD1.1/D1.1M：2015《钢结构焊接规范》的要求，设定预热温度为110℃。由于本试验钢材为正火钢，为了避免沉淀相的溶入以及晶粒粗大导致的热影响区脆化，宜选取偏小的焊接热输入，同时限制最大层间温度，综合考量将热输入限制在3.5kJ/mm，最大层间温度250℃。焊接时前丝垂直、后丝倾角15°，前后丝间距20mm左右。由于纵列双丝埋弧焊是双电弧单熔池，因此焊接时需要配以高的焊接速度来保证焊接热输入在限定的范围内，从而保证焊接接头的性能指标满足要求。为保证焊接接头根部的焊接质量，需进行碳弧气刨清根与打磨处理。

3.4焊后热处理

1）焊前要彻底清除坡口附近的铁锈和油污，防止因产生气孔而影响焊接质量。2）双丝埋弧焊引弧时，先将前丝进行引弧，在电弧稳定运行30mm左右后，后丝在熔池表面起弧；熄弧时，前丝先停弧，后丝待弧坑填满后再熄弧。

结束语

在对焊接性能研究过程中发现，相比焊接电流，焊接电压对熔深和焊冠高度的影响更大，而焊接电压和焊接速度对焊接接头高度和宽度均无显著影响，焊剂对最终的焊接接头强度影响显著。采用局部热力学平衡假设，可以研究埋弧焊焊接过程中元素过渡的方向、在熔池中可能发生的反应以及对焊接接头力学性能的影响。为深入研究焊接电流、焊接电压、焊接速度及焊剂通量之间的关系，可从以下方面进行考虑：①要更好地研究热力学平衡与化学反应之间的关系，首先应明确反应物之间的化学界面问题，进而弄清楚电离子体与焊剂反应过程中涉及到的空气中氧气的夹杂问题，因其对焊接接头热力学性能影响显著。②目前仅靠有效平衡温度进行热力学评估计算，还没有更好的方法能够精确测量、定义埋弧焊过程中的热力学平衡温度，需建立新的研究方法及模型对其进行评估。③目前还没有有效的方法确定平衡温度，但国内外学者一致认为埋弧焊的温度高于传统的炼钢温度。对热力学平状态的进一步研究将是埋弧焊发展的焦点。

参考文献

[1]鲍亮亮,王勇,韩涛,靳海成,白健.海洋平台焊接技术及发展趋势[J].焊接,2019(01):21-30+66.

[2]代朋虎.大热输入焊接用海洋工程用钢E36的组织与性能研究[D].安徽工业大学,2018.

[3]王峰.特厚板埋弧焊工艺研究[D].武汉理工大学,2018.

[4]曹振平.海洋平台导管双丝埋弧焊焊接工艺研究[D].中国石油大学（华东）,2018.

[5]肖秋平.厚板Q690E钢双丝窄间隙SAW工艺研究[D].昆明理工大学,2018.