預精焊工藝優勢總結
???一、前言
山東勝利鋼管有限公司預精焊（兩步法）螺旋縫埋弧焊管生產線，2011年投產，是國內第一條主機成套從德國引進具有國際先進水平的螺旋埋弧焊管生產線，產品規格范圍Φ610-Φ1626mm，最大壁厚25.4mm，最高材質X120級，產能可達36萬噸/年。
這種生產線目前國內只引進了兩條，另外一條由金洲管道2015年引進。
預精焊生產線就是采用在鋼管成型過程中先進行定位焊（即預焊）而后再離線進行內外埋弧焊接（即精焊）的工藝生產螺旋縫埋弧焊管的生產機組。與傳統的一步法生產工藝相比，預精焊機組的最主要優點是將螺旋成型和埋弧焊分開。由于不受埋弧焊工藝的牽制，螺旋成型過程便可以在最高成型速度下最優化的實現，從而得到幾何形狀和尺寸公差最好的鋼管。由于鋼管已經成型，且焊縫全長已完成預焊，此狀態為埋弧焊提供了非常穩定的焊接條件。故在接下來的精焊過程中，其埋弧焊操作在焊接過程、焊速和焊縫形狀方面可獲得最佳結果。該機組工藝技術先進性主要如下：
?。?）預精焊生產工藝有效地解決了成型和焊接之間的相互干擾問題。由于不受焊接過程的限制，可以對成型工藝參數進行優化，提高鋼管幾何形狀精度，螺旋成型過程可以在最高成型速度下最優化的實現，成型預焊速度可達10m/min。
?。?）采用一套預焊配套四套精焊的生產工藝，充分發揮了成型和焊接的各自優勢，實現了高速成型、預焊和低速精焊的有機結合，提高了焊接質量和生產效率。
?。?）實現了從拆卷、矯平、剪切對焊、銑邊、遞送、板邊預彎、成型、預焊到定尺切管全過程計算機自動化控制。
?。?）應用三臺重載銑邊機聯合銑邊工藝，銑刀盤具備仿形隨動功能，確保了板邊質量，為高質量精焊打下基礎。
?。?）預精焊板邊預彎工藝采用三輥預彎機構。三輥預彎工藝有效地防止了帶鋼在成型過程中因變形不足而產生的成型縫“噘嘴”現象，從根本上解決了鋼管管端“直邊”問題。
?。?）精焊機組實現了一鍵式自動化作業。
?。?）采用高智能化數字焊接電源，實現了對整個焊接過程實時精準的閉環控制，實現熱輸入量參數化，有利于減少焊接缺陷并有效控制焊縫余高及焊縫外觀。
?。?）實現了焊接參數自動記錄，提高了鋼管質量的可追溯性。
預精焊機組引進投產以來，山東勝利鋼管有限公司做了大量卓有成效的工作，逐漸消化吸收掌握了預精焊機組的生產特性，產品質量得到了根本改善。預精焊產品優勢突出體現在焊縫一次合格率高、焊縫形狀良好、鋼管尺寸精度高、管端噘嘴小、殘余應力小等方面。二、初步分析
1、關于焊縫形狀
焊縫形狀主要包括：焊縫高度、焊縫寬度、焊縫與母材的過渡角、內焊縫馬鞍形等。鋼管焊縫形狀受焊接參數、焊點偏心距、焊絲間距、焊劑、坡口尺寸、母材（坡口）邊緣狀況、鋼管尺寸精度等因素的影響，取決于各因素綜合作用下熔池的受力狀態及熔池形狀。
預精焊產品易于形成良好的焊縫形狀，主要由于以下因素：
?。?）預精焊機組精焊時沒有成型機臂的干涉，焊點偏心距、焊絲間距等參數可調整到最優化位置，有利于消除內焊縫馬鞍形和形成良好的的焊縫過渡角。 ?。?）預精焊應用三臺重載銑邊機聯合銑邊工藝，銑刀盤具備仿形隨動功能，確保了母材（坡口）邊緣均勻一致，坡口寬度、深度穩定，鈍邊大小穩定，有助于焊縫外觀形貌調整，有利于降低焊縫高度，保持焊縫形狀均勻一致。 ?。?）預精焊工藝生產時，預焊鋼管應力釋放后才進行精焊，低應力狀態下的焊接過程有利于保持良好的熔池受力狀態及形狀，形成理想焊縫形狀。 ?。?）預精焊鋼管尺寸精度高，鋼管直度、不圓度、直徑周長差、管端噘嘴等參數控制的都很好，再加上精焊機的焊頭不但有左右方向的自動調節，還有高度方向的激光跟蹤自動調節，能確保焊頭和鋼管表面的距離始終保持一致，有助于保持焊縫寬度和高度的均勻一致。
2、關于鋼管尺寸及殘余應力
由于螺旋鋼管不易實現全管體擴徑，鋼管尺寸主要由成型工藝決定。水壓試驗有均衡鋼管殘余應力的功效，但水壓實驗前鋼管的殘余應力值也主要取決于成型質量。 勝利鋼管引進的預精焊機組生產的鋼管尺寸精度高、殘余應力小，主要是成型過程穩定，成型質量高。
分析原因，主要取決于以下因素：
?。?）預焊機組實現了從拆卷、矯平、剪切對焊、銑邊、遞送、板邊預彎、成型、預焊到定尺切管全過程計算機自動化控制。鋼帶遞送線控制精度高，響應迅速，調整及時，成型角變化小，因此鋼管尺寸控制精準。成型參數可根據鋼帶厚度和性能自動調整，從而可減小變形阻力，解決鋼帶變形過量或不足的問題，減小殘余應力的產生。 ?。?）預精焊機組應用了“變距成型”成型技術，這種技術更有利于提高螺旋焊管成型穩定性。 ?。?）預精焊機組解決了成型與焊接的干涉問題，可以使得整個鋼帶寬度上變形均勻，同時強大的板邊三輥預彎機構的使用也使板邊變形更加充分，從而提高鋼管尺寸精度，降低殘余應力。 ?。?）在線管徑自動測量裝置的應用也為鋼管尺寸精準控制提供了有力保障。
3、關于管端噘嘴
管端噘嘴以及近年來大家比較關注的管端“直邊”現象實際都是由于鋼帶板邊變形不充分造成的。
預精焊機組生產的產品在此特性上具備優勢，主要原因是：
?。?）預精焊機組解決了鋼管成型過程與焊接相互干涉的問題，板邊變形更充分，可有效預防噘嘴的產生。 ?。?）預精焊機組采用強大的板邊三輥預彎機構，根據不同的鋼管管徑、壁厚和帶鋼的強度分別調節3個彎邊輥的位置，以獲得良好的預彎效果，可有效地彌補帶鋼在成型過程中因變形不足而產生的成型縫噘嘴現象。
三、實測結果
本文提取具有對比意義的2020年10-11月份，公司預精焊分廠（兩步法）及二分廠（一步法）同時生產的神木-安平 Φ813×12.5mm L450M鋼管部分性能參數進行對比。其間預精焊分廠共計生產檢驗鋼管2243根，二分廠共計生產檢驗鋼管1287根。結果如下：
（一）焊縫一次合格率
表1 焊縫一次合格率統計
規格材質 |
指令號 |
生產方式 |
檢驗根數 |
焊縫一次合格率 |
排除管端缺欠后焊縫合格率 |
813*12.5mm
L450M |
2020-10-813-3-7，
2020-11-813-2-39 |
一步法 |
1287 |
89.7% |
89.7% |
2020-01-813-6-1，
2020-06-813-6-2 |
兩步法 |
2243 |
92.2% |
96.2% |
兩種工藝生產鋼管的焊縫一次合格率情況見表1，通過數據對比可以看出,兩步法鋼管焊縫一次合格率比一步法高2.5%,排除管端缺欠后，焊縫一次合格率進一步提高到96.2%。
管端缺欠主要集中在管端0-100mm范圍內，經修磨或切除方法去除。而經統計測算兩步法產品的綜合材耗比一步法降低了0.7%。表明兩步法生產具有比較優勢。
（二）焊縫及熱影響區物理性能
1、焊縫抗拉強度
通過表2可以看出，兩種工藝生產鋼管的焊縫抗拉強度相近。
表2 焊縫抗拉強度均值及95%置信區間
規格材質 |
生產方式 |
焊縫抗拉強度/MPa |
813*12.5mm L450M |
一步法 |
673.2±5.2 |
兩步法 |
661.8±3.5 |
標準要求 |
≥535 |
2、焊縫、熱影響區沖擊功
通過表3可以得出，兩種工藝生產鋼管的焊縫沖擊功及熱影響區沖擊功試驗數據相近。
表3 焊縫、熱影響區沖擊功均值及95%置信區間
規格材質 |
類型 |
焊縫沖擊功/J |
熱影響區沖擊功/J |
813*12.5mm L450M |
一步法 |
202.0±6.3 |
287.9±7.5 |
兩步法 |
200.2±2.3 |
287.8±5.5 |
標準要求 |
KV均值≥60 |
KV均值≥60 |
（三）焊縫形狀 1、焊縫高度
?。?）內焊縫高度
從表4中可以看出兩種工藝生產鋼管的內焊縫高度數據相近。
表4 內焊縫高度均值及95%置信區間
生產方式 |
內焊縫高度/ mm |
技術要求 |
兩步法 |
2.1±0.01 |
0.0-3.0 mm |
一步法 |
2.2±0.01 |
?。?）外焊縫高度
從表5可以看出：兩步法產品的外焊縫高度均值比一步法產品低0.3mm。
表5 外焊縫高度均值及95%置信區間
生產方式 |
外焊縫高度/ mm |
技術要求 |
兩步法 |
1.1±0.01 |
0.0-2.5 mm |
一步法 |
1.4±0.02 |
2、焊縫過渡角
內、外焊縫過渡角采用對金相試樣測量的方式進行測量。外焊縫結果見表6，內焊縫結果見表7。
從表6及表7可以看出，兩步法產品均值高于一步法產品，說明兩步法生產的鋼管內、外焊縫過渡比一步法更為平 緩，可明顯較少應力集中。3、內焊馬鞍形 內焊縫馬鞍形深度測量在金相試樣上進行。典型的焊縫宏觀金相圖片見圖1、圖2，圖1為一步法生產，圖2為兩步法生產。 測量數據平均值見表8，一步法生產的鋼管馬鞍形深度平均值為0.9mm，兩步法生產的鋼管馬鞍形深度平均值為0.1mm。從圖2上可明顯看出，焊縫基本沒有馬鞍形，內焊縫較為飽滿。
圖1 一步法生產鋼管焊縫金相圖
圖2 兩步法生產鋼管焊縫金相圖，對所有金相試樣內焊縫的馬鞍形深度進行了測量
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1、直徑 ?。?）管端周長
從表9可以看出，兩種工藝生產鋼管的數據基本一致。
?。?）管端周長差 從表10中可以看出：兩者均值相近，管端周長差較小。
?。?）管體周長 從表11中可以看出：兩者均值相近。
2、管端不圓度 從表12可以看出，兩步法產品管端不圓度均值比一步法產品小1mm左右，說明兩步法成型質量優于一步法。
3、直度 從表13中可以看出：兩步法產品的直度均值比一步法產品低0.6mm左右，說明兩步法成型質量優于一步法。
4、噘嘴 從表14中可以看出：兩種工藝產品均值相近，噘嘴數值都很小，控制在0.5mm以下。
為進一步驗證預精焊機組在控制噘嘴特性方面的優勢，本文統計了近年來兩種工藝產品的噘嘴情況，見表15。 從表15可以看出，雖然兩種工藝生產的產品，管端噘嘴數值都比較低，但預精焊產品尤其厚壁時明顯優于一步法產品。
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兩種工藝生產鋼管的殘余應力采用切環法進行測量，通過測量周向張開量采用日本JFE的計算公式進行殘余應力值計算。結果見表16。取樣工位：管端擴徑前。
從表16可以看出，兩步法產品切環為外彈，一步法產品切環為內彈，兩種工藝生產鋼管的殘余應力值都很低。
四、結論
經過對比驗證，可以看出，預精焊工藝生產的產品相比傳統一步法工藝生產的產品在以下幾方面具有明顯的質量優勢： ?。?）排除管端缺欠后，在材耗未升高的情況下，產品焊縫一次合格率明顯提高，超過了95%。
?。?）預精焊產品焊縫高度明顯降低，焊縫與母材過渡更緩和。
?。?）預精焊產品內焊縫外觀形狀明顯好于一步法產品，內焊縫基本消除了“馬鞍形”。
?。?）預精焊產品管端不圓度和管體直度參數明顯優于一步法產品。
?。?）預精焊產品尤其是厚壁時“噘嘴”現象不明顯，從根本上解決了鋼管管端“直邊”問題。
?。?）預精焊產品殘余應力較小。
兩種工藝產品大量的對比數據將在今后的生產中繼續呈現，對于形成差異的原因，將會從成型機理上、焊接原理上進行更深層次的研究分析，同時針對消除管端缺欠將加大攻關力度，以使預精焊工藝優勢得到充分發揮。
