管道焊接用高纤维素型焊条的研制 (1)

管道焊接用高纤维素型焊条的研制

朱丙坤吴伦发曹良裕毕礼宝张成杰(洛阳船舶材料研究所洛阳471039)


摘要根据纤维素型焊条的特点和要求,对其压涂性能、工艺性能及其药皮组成分别进行了试验研究。

关键词焊条纤维素型管道焊接

在管道焊接中,纤维素型焊条具有打底焊时可单面焊双面成形,全位置立向下焊时操作简便,生产效率高及适应工况能力强等优点,故在管线建设中现仍占很大的使用比例。“九五”期间,我国陆续建成十多条长距离输油、气管线,预计到本世纪末,我国的输油、气管线达3万公里,计划用200多万吨焊管,约2万吨焊材[1],因此纤维素型焊条的应用前景广阔。目前国内生产的纤维素型焊条的综合性能,尤其是工艺性能还不能令人满意,影响了它的推广应用,所以开发研制和不断完善国内纤维素型焊条具有重要意义。在此以Ｅ5010 Ｇ纤维素型焊条为例介绍管道焊接用高纤维素型全位置立向下焊条的研制情况。

1纤维素型焊条的要求

纤维素型焊条药皮薄且含有大量的有机物,多用于管道的全位置立向下焊,故对其性能要求很高:

(1)压涂性能要好。

(2)工艺性能优良。纤维素型焊条用于管道的全位置立向下焊时,要求电弧吹力大,立向下焊时不淌渣,熔池清晰,焊缝成型美观,且焊条前后段工艺性能无明显变化。

(3)焊缝无气孔,满足管道使用要求。

2焊条性能的改进

2.1压涂性能在研制过程中发现纤维素型焊条在压涂过程中易出现下列问题:

(1)表面质量差,即易出现“毛条”和表面粗糙现象;

(2)偏心率易超标,且不稳定;

(3)烘焙时药皮易“龟裂”。

2.2.1焊条表面质量的改善

纤维素型焊条易出现“毛条”的主要原因与药粉在压涂过程中粘性变大有关,而影响药粉粘性的主要因素有纤维素含量与钠水玻璃的浓度。试验表明,随着纤维素含量的增加,药粉湿混后粘性进一步增大且均匀性变差,而高浓度的钠水玻璃粘性大且在药粉中的分散也不均匀,在这两种情况下均易出现毛条。为了控制毛条的出现,在药皮中加入纤维素时,可适量加入其他有机物以代替部分纤维素(如4%～10%(ｗ,下同)的竹粉、ＣＭＣ等),从而可保持药皮中有机物的总含量以使焊条仍具有较大的电弧吹力;其次可调整钠水玻璃的浓度,若钠水玻璃的浓度低,则在焊条烘焙时药皮易龟裂,若钠水玻璃的浓度高,易出现毛条。经试验确定其浓度为38Ｂｅ～45Ｂｅ。

纤维素型焊条表面粗糙,除与药皮中含有大量的有机物有关外,还与药皮中含有大量的粗颗粒成分有关。该焊条药皮弹塑性大,烘焙后收缩大,易使焊条药皮表面的粗颗粒成分凸起,尤其在钠水玻璃浓度低时更是如此。试验结果表明,减少药粉中的粗颗粒比例和适当增加钠水玻璃浓度以及增加压涂时的压力均是改善表面质量的有效措施。试验结果还表明,在药粉中加入一定量的滑性成分(如2%～10%滑石、云母等)对减少“毛条”和表面粗糙现象均是有效的。

2.1.2偏心的控制

该焊条药粉的弹塑性很大,故在挤压过程中,粉缸中药粉四周的压力和致密度会不一致,且还会发生变化,加上焊条药皮薄,故在压涂过程中易使偏心超标且不稳定。因此,保持药粉湿混后有机物的分散均匀以及药皮在压涂过程中粉团致密度的均匀一致是控制偏心的重要方法。就药粉组成而言,影响药粉有机物分散均匀的主要因素是有机物的含量和水玻璃浓度,而影响粉团致密度的均匀一致的主要因素是预压团压力和压涂压力。试验证实,调整好纤维素加入比例和水玻璃浓度以保证药粉湿混后均匀一致以及增大药粉预压团压力和压涂压力,且在压涂过程中注意保持压涂压力的稳定均是控制偏心的有效措施。

2.1.3烘焙时药皮“龟裂”的防止

该焊条在烘焙过程中有时会出现药皮龟裂现象,这与药皮在烘焙过程中收缩大且水分不易挥发有关。而影响水分挥发的主要因素有烘焙升温速度、水玻璃的浓度及粗颗粒比例。烘焙升温速度越快,水玻璃越稀,则烘焙时因焊条药皮内外温度的差异大,越易使焊条药皮表面产生一层较致密的外壳,使散发水分的毛细通道不畅从而引起龟裂。而加入适量的粗颗粒成分有利于水分的挥发,从而可减少龟裂的发生。经试验将粗颗粒(颗粒直径大于0.28ｍｍ)成分比例确定为5%～20%之间。在采取了以上一系列措施的基础上,经实验室大量试制及工厂中试生产后表明,所研制的纤维素焊条压涂性能良好,而经工厂中试生产出的焊条表面光滑,无毛条和龟裂现象,并且焊条偏心率控制在2%以下。

2.2电弧吹力要求

纤维素型焊条有较大的电弧吹力,不但打底焊时可保证单面焊双面成型,而且在全位置立向下焊时可部分借助于吹力:一方面可“托着”熔池金属使之不下淌;另一方面可“吹开”熔池金属上方的熔渣使熔池清晰,从而使焊工操作方便,保证焊接质量;此外,较大的电吹力也可充分保护熔池金属。因此,电弧吹力大小是体现纤维素型焊条工艺性能优劣的重要方面。纤维素型焊条的电弧吹力主要来自于由焊接时电弧中分解出的气体所形成的气流动力,其主要影响因素有:(1)药皮中有机物的数量;(2)焊条中的水分含量;(3)碳酸盐分数。此外,还与焊条中的碳含量、套筒大小、药皮中的强氧化性成分和焊接规范有关。

焊条中的有机物在电弧高温下分解生成ＣＯ2、ＣＯ、Ｈ2、烃和Ｈ2Ｏ等气体[2],它们是电弧中气体的主要来源,当其含量增多时,电弧吹力增大,但试验中发现不同种类的有机物在相同条件下,它们的电弧吹力是不同的,其中微晶纤维素的比竹粉、ＣＭＣ等的大。综合考虑压涂和工艺性能,加入的有机物以微晶纤维素为主,竹粉、ＣＭＣ等为辅,总加入量为20%～40%。药皮中的水分在电弧高温下分解出的氢和氧,不但可增大电弧吹力,而且也可增加电弧气氛的氧化性。药皮中的水分含量主要由烘焙工艺决定,若药皮含水量少(小于2%),则焊条工艺性能变差;若药皮含水量多,则焊接电弧不稳且飞溅增多,又不利于焊条的运输和保存。此外,在试验过程中还发现,若药皮含水量多(如10%左右,烘焙工艺为60℃×2ｈ),则焊条的前后段工艺性能变化较大,会造成后段焊条吹力小,熔池不清晰,易出现气孔等问题。这是因为含水量大时后段焊条中的水分在焊接中挥发较多的缘故,因此在确保电弧吹力的前提下应适量控制水分。文献[3]中指出,高纤维素型焊条的水分含量在5%～7%之间较为合适,为此需制订一个合适的烘焙工艺。焊条中的碳酸盐在电弧高温下分解出ＣＯ2、ＣＯ等气体,有利于提高电吹力,试验中发现,在其他成分不变的情况下,减少碳酸盐的含量(由16%减小为7%)会使电弧吹力减小。此外,在相同条件下,不同种类的碳酸盐对电弧吹力的影响也各有差异,这也许与其分解温度的不同有关。焊条中的碳在电弧阶段氧化成ＣＯ气体,从而可增大电弧吹力,但是,随着碳含量的增加,电弧的稳定性和飞溅也逐渐恶化。在焊接过程中焊条燃烧端所形成的套筒大小对电弧吹力也有影响,套筒长,可约束电弧气流发散,进而提高电弧挺度,这样也可增大电弧吹力。但在与奥地利的Ｆｏｘｃｅｌ纤维素型焊条的电弧特点的比较中发现,真正决定电弧挺度的因素是电弧本身的收缩效应,而焊条套筒的影响是次要的,这方面还有待今后进一步研究。焊条药皮中强氧化性成分的数量对电弧吹力也有影响,强氧化性成分数量充足,可使药皮在电弧阶段的氧化反应充分进行,从而可生成更多的气体,进而增大电弧吹力。

在研制过程中发现,若强氧化性成分不足,即使进一步增加药皮中的有机物的含量,电弧吹力也无明显提高。焊接规范也是影响电弧吹力的重要因素,电流大时,则吹力大,反之则变小。但电流大时纤维素型焊条易过烧,为了使纤维素型焊条在焊接过程中既能保持较大的电弧吹力又能预防过烧,可采用纤维素型焊条专用焊机。在以上影响电弧吹力的诸多因素中,虽然增加有机物和水分含量及电流大小可明显改善电弧吹力,但有时会使焊条前后段的工艺性能变化较大,而碳、碳酸盐和强氧化性成分含量的增加不会在提高电弧吹力的同时增加焊条的过烧,这也是人们常常以添加后者来提高电弧吹力的原因。实际管道焊接试验表明所研制的纤维素型焊条,其电弧吹力大,可满足管道全位置立向下焊的要求。

3渣系及其成分的确定

研制的高纤维素型焊条主要用于管道的环焊缝对接中,且为全位置立向下焊,因此对渣系要求很高。3.1渣系的确定根据对渣系的要求,主要对高钛型(ＴｉＯ2含量大于25%)及ＳｉＯ2 ＴｉＯ2 ＦｅＯ型两种渣系分别进行了管道全位置立向下焊工艺性试验,试验结果见表1。

表1高钛型及ＳｉＯ2 ＴｉＯ2 ＦｅＯ型两种渣系工艺性试验结果

从试验结果可以看出,在这两种渣系中选择ＳｉＯ2 ＴｉＯ2 ＦｅＯ型渣系用于管道全位置立向下焊接较为理想,故把它确定为本试验焊条的渣系。3.2药皮的成分焊条药皮的成分见表2所示。ＳｉＯ2是熔渣的主要成分,它不但可促进熔池金属的铺展和成形,而且也可提高电弧吹力。试验研究发现,ＳｉＯ2含量少时,焊接时电弧吹力减小,熔池不清晰,焊缝表面气孔增多;ＳｉＯ2含量多时,则熔渣增多且流动性变大,并且熔池也变得不清晰,从而使操作性能恶化。经试验确定其含量为15%～30%。

表2所研制的纤维素型焊条的药皮成分(ｗ)%

ＴｉＯ2的主要作用是实现“短渣”特性,从而保证焊条全位置立向下焊操作性能,其次还可稳定电弧。ＴｉＯ2含量少时电弧不稳,但过多又会减小电弧吹力。在试验过程中还发现,ＴｉＯ2含量控制得适当,不但可稳定电弧、减少飞溅,而且可促进熔池金属铺展,改善焊缝成形以减少焊缝气孔的形成。因为ＴｉＯ2在高温下的粘度较低,有利于焊缝铺展,而电弧一旦移开后其粘度迅速增大,从而有利于全位置立向下焊操作性能。本试验中ＴｉＯ2含量确定为10%～20%。氧化铁具有很强的氧化性,因此焊接时可使药皮中有机物的氧化反应充分进行,进而保证电弧有较大的吹力并防止过多的碳过渡到熔敷金属中,并且强的氧化性也可抑制焊缝金属表面气孔的形成。此外,氧化铁还可使渣变得疏松,从而提高脱渣性能[4]。但氧化铁含量多时会增强渣的流动性,使立向下焊操作困难。试验表明,氧化铁宜控制在6%～18%。碳酸盐是辅助造气剂,有助于增大电弧吹力,又可提高电弧的氧化性,此外也可调节渣的粘度和表面张力,本焊条中加入5%～15%的碳酸盐。铁合金既可用来脱氧,又可保证焊缝金属具有一定的力学性能,此外还可改善焊条的工艺性能。研究表明,在不加铁合金的情况下,焊接电弧燃烧不稳,焊缝成形较差。但进一步试验发现,若使用不当铁合金会增加焊缝金属表面的气孔形成(详细内容后续发表)。本焊条中铁合金加入量为10%～25%。

4工艺性能及探伤试验

将研制的Ｅ5010 Ｇ纤维素型焊条的工艺性能与奥地利的ＦｏｘｃｅｌＥ7010 Ｇ纤维素型焊条的进行了对比,试验结果见表3。

表3研制的Ｅ5010 Ｇ焊条与ＦｏｘｃｅｌＥ7010 Ｇ焊条的工艺性对比

由表3可见,所研制的纤维素型焊条的工艺性能部