CN115091005B - 一种金属粉芯焊丝及其应用和焊接长输管道的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及管道焊接领域，公开了一种金属粉芯焊丝及其应用和焊接长输管道的方法。该金属粉芯焊丝包括按照质量百分数以元素计的以下成分：0.04‑0.1％的C、0.2‑0.7％的Si、1.1‑1.4％的Mn、0.005‑0.01％的P、0.005‑0.01％的S、0.01‑0.05％的Cr、0.01‑0.35％的Mo、1.2‑1.9％的Ni。本发明提供的金属粉芯焊丝具有较低的扩散氢含量及较少的有害杂质，同时扩散氢和有害物质的减少能够降低对焊接工人健康的影响。采用本发明提供的金属粉芯焊丝用于焊接时能够提高焊接质量、提高管道焊缝的强度和韧性，为管道运营的质量和安全提供了有力的支撑。

Description

一种金属粉芯焊丝及其应用和焊接长输管道的方法

技术领域

本发明涉及管道焊接领域，具体地，涉及一种金属粉芯焊丝及其应用和焊接长输管道的方法。

背景技术

目前，山区大口径高钢级长输管道普遍采用单焊炬自动焊或组合自动焊进行焊接施工，采用手工氩弧焊+单焊炬气保护药芯焊丝或金属粉芯焊丝+单焊炬气保护药芯焊丝工艺进行焊接。

现有技术使用药芯焊丝或实心焊丝进行填充，药芯焊丝组分氧化性较强，不易去除焊缝金属中的扩散氢，并且在焊缝金属中有较多的非金属夹杂物残留。药芯焊丝焊接时还存在组织性能不均和力学性能相对较低的问题。实心焊丝使用混合气体(Ar+CO₂)作为保护气体，熔池熔深较深但是熔宽较窄，易产生未熔合缺陷，该缺陷容易导致焊缝强度和冲击韧性降低。

目前的焊接方法主要存在以下问题：一、无论是酸性气保护药芯焊丝还是碱性气保护药芯焊丝，焊丝中的药芯成分大部分含有氟化钙、金红石、氧化钙等矿物质成分。药芯焊丝组分氧化性较强，不易去除焊缝金属中的扩散氢，并且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且韧性偏低，有比较大的开裂风险。二、由于使用药芯焊丝，在生产焊材时有存在药芯成分不均匀导致部分焊缝性能不均，从而易产生质量隐患。三、使用药芯焊丝进行焊接时会产生大量烟尘，对焊工身体造成不良影响。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种能够提高焊接质量、改善焊缝性能的焊丝和焊接方法。

为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种金属粉芯焊丝，该金属粉芯焊丝包括按照质量百分数以元素计的以下成分：

0.04-0.1％的C、0.2-0.7％的Si、1.1-1.4％的Mn、0.005-0.01％的P、0.005-0.01％的S、0.01-0.05％的Cr、0.01-0.35％的Mo、1.2-1.9％的Ni。

本发明的第二方面提供前述第一方面中所述的金属粉芯焊丝在高钢级管线的根焊、填充焊和盖面焊中的应用。

本发明的第三方面提供一种焊接长输管道的方法，该方法包括：在CO₂气氛中，采用金属粉芯焊丝在输送管道的根焊、填充焊和盖面焊中的至少一处进行焊接，得到所述长输管道；

所述长输管道的构造包括串联焊接的所述输送管道以及焊丝熔敷料；所述焊丝熔敷料由所述金属粉芯焊丝焊接后于焊接位置处形成；

所述金属粉芯焊丝为前述第一方面中所述的金属粉芯焊丝。

与现有技术相比，本发明相较于现有技术至少具有以下优势：

(1)本发明提供的金属粉芯焊丝能够调整焊接熔池的粘稠度，使电弧的推力能够将熔池向坡口两边均匀推开。

(2)本发明提供的金属粉芯焊丝的熔覆效率能够达到95％，大大高于药芯焊丝。

(3)本发明提供的金属粉芯焊丝能够满足焊接工艺要求，同时焊接成型的质量非常好，飞溅远小于实心焊丝。

(4)本发明提供的金属粉芯焊丝能够适应于CO₂作为保护气体的环境，从而能够增加电弧的穿透能力和熔深，使得焊缝成型好，特别是仰焊位置焊缝不易出现凸起现象。

(5)本发明提供的金属粉芯焊丝具有较低的扩散氢含量及较少的有害杂质，能够保证焊缝组织具有大量的针状铁素体，进而具有优异的力学性能。同时扩散氢和有害物质的减少能够降低对焊接工人健康的影响。

(6)本发明提供的焊接长输管道的方法能够增强长输管道的焊缝力学性能，能够克服山区长输管道由于地势起伏较大而产生较大内应力易带来的安全隐患的缺陷，为管道的安全运行提供技术保障。

(7)采用本发明提供的焊接长输管道的方法获得的长输管道能够适用于坡度为25-60°的山区丘陵地带。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是本发明提供的一种优选的外对口器进行组对的示意图；

图2是本发明提供的一种优选的内对口器进行组对的示意图；

图3是本发明提供的一种优选的焊缝组对参数的示意图；

图4是本发明提供的一种优选的复合型坡口的示意图；

图5是采用现有焊丝和本发明提供的一种优选的焊丝焊接完成后得到的焊缝截面成型的对比图；其中，图5中(a)为采用焊丝DS1焊接完成后得到的焊缝截面成型图，图5中(b)为采用本发明提供的一种优选的焊丝S1焊接完成后得到的焊缝截面成型图。

具体实施方式

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

如前所述，本发明的第一方面提供了一种金属粉芯焊丝，该金属粉芯焊丝包括按照质量百分数以元素计的以下成分：

0.04-0.1％的C、0.2-0.7％的Si、1.1-1.4％的Mn、0.005-0.01％的P、0.005-0.01％的S、0.01-0.05％的Cr、0.01-0.35％的Mo、1.2-1.9％的Ni。

需要说明的是，本发明对所述金属粉芯焊丝的制备方法没有特别的限制，本领域技术人员可以根据本领域内已知的技术手段进行选择，本发明的后文中示例性地提供一种优选的具体实施方式，本领域技术人员不应理解为对本发明的限制。

优选地，所述焊丝的抗拉强度为600-700Mpa，示例性地为610Mpa、620Mpa、630Mpa、640Mpa、650Mpa、660Mpa、670Mpa、680Mpa、690Mpa、700Mpa；所述焊丝的屈服强度为510-580Mpa，示例性地为510Mpa、520Mpa、530Mpa、540Mpa、550Mpa、560Mpa、570Mpa、580Mpa。

本发明的第二方面提供了一种前述第一方面中所述的金属粉芯焊丝在高钢级管线的根焊、填充焊和盖面焊中的应用。

需要说明的是，本发明中对所述高钢级管线的种类没有特别的限制，可以为本领域内已知的高钢级管线，示例性地，所述高钢级管线可以为大口径高钢级长输管线；所述大口径高钢级长输管线的直径为813-1422mm，X70以上，长度20km以上，单根管长12.7米。

本发明的第三方面提供一种焊接长输管道的方法，该方法包括：在CO₂气氛中，采用金属粉芯焊丝在输送管道的根焊、填充焊和盖面焊中的至少一处进行焊接，得到所述长输管道；

所述长输管道的构造包括串联焊接的所述输送管道以及焊丝熔敷料；所述焊丝熔敷料由所述金属粉芯焊丝焊接后于焊接位置处形成；

所述金属粉芯焊丝为前述第一方面中所述的金属粉芯焊丝。

优选地，所述焊丝熔敷料中包括按照质量百分数以元素计的以下成分：

0.049-0.061％的C、0.09-0.12％的Si、0.89-1.04％的Mn、0.009-0.01％的P、0.002-0.005％的S、0.01-0.05％的Cr、0.001-0.11％的Mo、0.44-1.88％的Ni。

需要说明的是，由于金属粉芯焊丝进行焊接后其中的部分元素存在一定的损耗，因此，焊接之后形成的焊丝熔敷料中各元素的含量与焊接之前的含量存在一定的差异。

优选地，所述焊接的方式为下向焊焊接，且焊接极性为直流反接。

根据一种优选的实施方式，该方法还包括：在进行所述焊接之前，将所述长输管道依次进行坡口加工和管口组对；

所述坡口加工使得所述长输管道的坡口钝边不大于2.0mm，示例性地为0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm等；所述管口组对的间隙为2.5-3.5mm，示例性地为2.5mm、3.0mm、3.5mm等。

根据另一种优选的实施方式，所述焊接采用单焊炬自动焊工艺进行。

根据一种特别优选的实施方式，所述焊接的条件至少满足：管道的焊接位置角度范围为0-90°，送丝速度为200-320inch/min，行走速度为15-30cm/min，摆动速度为1.35-1.98mm/min，摆动幅度为4.5-6.05mm，左停留时间和右停留时间各自独立地为0.225-0.275s。

需要说明的是，本发明中的管道焊接位置角度范围是指管道与水平面的夹角。

优选地，所述焊接的焊接参数为多段设置。更加优选地，所述多段设置为2-8段。

特别优选地，所述焊接的焊接参数为2段设置，依次包括第一段设置、第二段设置；所述第一段设置的管道的焊接位置角度范围为0-40°，送丝速度为200-300inch/min，行走速度为15-25cm/min，摆动速度为1.44-1.76mm/min，摆动幅度为4.95-6.05mm，左停留时间和右停留时间各自独立地为0.225-0.275s；所述第二段设置的管道的焊接位置角度范围为40-90°，送丝速度为220-320inch/min，行走速度为20-30cm/min，摆动速度为1.35-1.65mm/min，摆动幅度为4.5-5.5mm，左停留时间和右停留时间各自独立地为0.225-0.275s。

优选地，该方法还包括：在进行所述焊接之后，将所述长输管道进行打磨处理；所述打磨处理的步骤包括：

将制管焊缝打磨至与母材齐平，且打磨长度不小于100mm，示例性地为110mm、120mm、130mm等；组对错边不大于所述长输管道壁厚的10％且沿所述长输管道周长等间距分布，示例性地为5％、7％、9％等。

优选情况下，所述填充焊和/或所述盖面焊中进行所述焊接的设备具有平外特性，且电流、电压曲线下降率不大于5％，示例性地为2％、3％、4％等。

需要说明的是，本发明中电流、电压曲线的下降率是指焊接设备电源的输出电压与焊接电流的比值变化幅度。

优选地，所述焊接的线缆的长度不大于25m，且规格不小于50平方毫米；或所述焊接的线缆的长度大于30m，且规格不小于75平方毫米。

优选地，所述长输管道的直径为800-1500mm，示例性地为800mm、850mm、900mm、1000mm、1100mm、1200mm、1300mm、1400mm、1500mm等。

以下将通过实例对本发明进行详细描述。

制备例1：制备金属粉芯焊丝S1

将2.5wt％的TiO₂，1.5wt％的Al₂O₃，3.5wt％的SiO₂与92.5wt％的Fe粉混合后作为粉芯填入钢带(低合金钢，型号X70/L485)制成的管状焊丝外皮中，其中粉芯占金属焊丝总重量的10％，得到金属粉芯焊丝S1。

以下实例中所用的钢带种类与粉芯占金属焊丝总重量的比例均相同。

制备例2：制备金属粉芯焊丝S2

将1.7wt％的TiO₂，2wt％的Al₂O₃，2.7wt％的SiO₂，1.5wt％MgO与92.1wt％的Fe粉混合后填入钢带制成的管状焊丝外皮中，得到金属粉芯焊丝S2。

对比制备例1：制备金属粉芯焊丝DS1

将3wt％的TiO₂，1wt％的Al₂O₃，1.5wt％的SiO₂，2.5wt％MgO与92wt％的Fe粉混合后填入钢带制成的管状焊丝外皮中，得到金属粉芯焊丝DS1。

对比制备例2：制备金属粉芯焊丝DS2

将4wt％的TiO₂，2wt％的Al₂O₃，4wt％的SiO₂，与90wt％的Fe粉混合后填入钢带制成的管状焊丝外皮中，得到金属粉芯焊丝DS2。

金属粉芯焊丝进行焊接后对应形成的焊丝熔敷料中各成分元素种类及含量参见表1(其中，对应形成是指金属粉芯焊丝S1形成焊丝熔敷料L1，金属粉芯焊丝S2、金属粉芯焊丝DS1、金属粉芯焊丝DS2以此类推)。

实施例1

坡口加工：采用内涨式坡口机(型号DN800)对直径为813mm的管道进行坡口加工，可加工成如图3或图4所示的复合型坡口，其中，坡口钝边a为1.5±0.5mm，第一坡面与径向之间的夹角α为5°，第二坡面与径向之间的夹角β为30°，第一坡面、第二坡面的连接处距离管道内表面之间的距离l为7mm；

管口组对：采用如图1所示的外对口器对进行坡口加工后的管道进行组对，组对间隙b为2.5±0.5mm；

焊接：使用纯CO₂作为保护气体(气体流量为25±5L/min)，采用Φ1.2mm的焊丝S1按照表2中的焊接参数采用单焊炬外焊机(型号PL-500)对管道采用下向焊焊接(0-3-6点以及0-9-6点)进行根焊；采用CN110773544A实施例1中的碱性气保护药芯焊丝依次进行填充焊和盖面焊(其中，填充焊和盖面焊均为多层多道焊接)，焊接线缆的长度为10m，规格为50mm²，得到长输管道。

实施例2

本实施例采用与实施例1相似的方法进行，所不同的是：管口组对器不同，本实施例采用如图2所示的内对口器对进行坡口加工后的管道进行组对。

测试例

将制备例以及对比制备例中制备得到的金属粉芯焊丝按照实施例1中的方法进行焊接性能测试，测试结果见表3。

表1：焊丝熔敷料L1-L2、DL1-DL2的化学成分组成

单位/wt％	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Ni	Cu	V
											熔覆料L1	0.049	0.12	0.89	0.009	0.005	0.01	0.11	0.44	0.01	/
熔覆料L2	0.061	0.09	1.04	0.009	0.002	0.01	0.001	1.88	0.01	/
											熔覆料DL1	0.069	0.19	1.07	0.006	0.003	0.02	0.03	0.47	0.01	/
熔覆料DL2	0.021	0.18	1.07	0.007	0.003	0.02	0.01	1.72	0.01	0.02

表2：焊接参数(根焊)

注：“10％”是指参数的10％，例如5.0±10％的含义是：5.0±(5.0×10％)；“DC+”表示直流反接。

续表2：焊接参数(填充焊、盖面焊)

表3：金属粉芯焊丝S1-S2、DS1-DS2的性能参数

通过表3的结果可以看出，采用本发明提供的金属粉芯焊丝能够提高长输管道的抗压强度、屈服强度以及平均冲击功，同时还能够增强焊缝力学性能，为管道的安全运行提供技术保障；同时本发明提供的金属粉芯焊丝的熔覆效率高达95％。

另外，本发明的提供的金属粉芯焊丝具有较低的扩散氢含量及较少的有害杂质，能够保证焊缝组织具有大量的针状铁素体，进而能够具有优异的力学性能，并且扩散氢和有害物质的减少能够降低对焊工身体的不利影响。

本发明提供的金属粉芯焊丝S1、金属粉芯焊丝S2焊接完成后得到的焊缝截面成型图类似，示例性地，本发明提供金属粉芯焊丝S1焊接完成后得到的焊缝截面成型图。图5是采用焊丝DS1和本发明提供的一种优选的焊丝S1焊接完成后得到的焊缝截面成型的对比图。通过对比(a)和(b)可知，本发明提供的焊丝S1在根焊成型及焊缝质量上，具有更佳的性能优势；同时根焊韧性及强度均优于焊丝DS1。

本发明提供的焊丝不仅能够进行根焊，也能够用于填充焊和盖面焊。本发明提供的焊丝在焊接时电弧熔深接近于实心焊丝，熔宽却远大于实心焊丝。因此，本发明提供的焊丝适用于窄间隙焊接，在窄间隙焊接时相比实心焊丝能够极大地降低焊接未熔合缺陷的产生几率，具有更加优异的无损检测合格率；本发明提供的焊丝的熔覆效率接近实心焊丝，远高于药芯焊丝，窄间隙焊接同时也能够节省焊材的填充量，从而能够节省经济成本。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种焊接长输管道的方法，其特征在于，该方法包括：在CO₂气氛中，采用金属粉芯焊丝在输送管道的根焊、填充焊和盖面焊中的至少一处进行焊接，得到所述长输管道；

所述长输管道的构造包括串联焊接的所述输送管道以及焊丝熔敷料；所述焊丝熔敷料由所述金属粉芯焊丝焊接后于焊接位置处形成；

所述金属粉芯焊丝包括按照质量百分数以元素计的以下成分：

0.04-0.1％的C、0.2-0.7％的Si、1.1-1.4％的Mn、0.005-0.01％的P、0.005-0.01％的S、0.01-0.05％的Cr、0.01-0.35％的Mo、1.2-1.9％的Ni；

所述焊丝熔敷料中包括按照质量百分数以元素计的以下成分：

0.049-0.061％的C、0.09-0.12％的Si、0.89-1.04％的Mn、0.009-0.01％的P、0.002-0.005％的S、0.01-0.05％的Cr、0.001-0.11％的Mo、0.44-1.88％的Ni。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述焊接的方式为下向焊焊接，且焊接极性为直流反接。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述焊丝的抗拉强度为600-700Mpa，屈服强度为510-580Mpa。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，该方法还包括：

在进行所述焊接之前，将所述长输管道依次进行坡口加工和管口组对；

所述坡口加工使得所述长输管道的坡口钝边不大于2.0mm；所述管口组对的间隙为2.5-3.5mm。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述焊接采用单焊炬自动焊工艺进行。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述焊接的条件至少满足：管道的焊接位置角度范围为0-90°，送丝速度为200-320inch/min，行走速度为15-30cm/min，摆动速度为1.35-1.98mm/min，摆动幅度为4.5-6.05mm，左停留时间和右停留时间各自独立地为0.225-0.275s。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，该方法还包括：

在进行所述焊接之后，将所述长输管道进行打磨处理；所述打磨处理的步骤包括：

将制管焊缝打磨至与母材齐平，且打磨长度不小于100mm，组对错边不大于所述长输管道壁厚的10％且沿所述长输管道周长等间距分布。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述填充焊和/或所述盖面焊中进行所述焊接的设备的电流、电压曲线下降率不大于5％。