摘要：介绍了螺旋埋弧焊管预精焊生产工艺，对预精焊工艺生产X70钢级准1 016 mm×17.5 mm螺旋埋弧焊管焊接接头拉伸试验、夏比冲击试验、维氏硬度试验等试验结果进行了统计分析，并与传统的一步法工艺进行了对比。结果表明，预精焊生产工艺焊接接头抗拉强度与一步法工艺基本相当，夏比冲击韧性、维氏硬度等性能略优于一步法工艺，综合力学性能良好，满足《西气东输二线管道工程用X70螺旋缝埋弧焊管技术条件》要求。
0 前言
螺旋焊管预精焊制造工艺（俗称二步法）是指螺旋焊管的成型过程和内外埋弧焊接过程分先后进行的制管工艺方法［1］。由于成型和焊接分开进行，从而消除了成型控制对焊接的不利影响，尤其是减少了调型时对内焊缝产生应力的影响，从而减少了焊接缺陷，使焊接质量大大提高。2008年以来，螺旋焊管预精焊工艺在世界范围的应用迅速扩大，印度、中国和美国都在大力发展螺旋焊管预精焊技术，此前全世界仅有4～5家企业应用该技术，美国仅在2009年就投产4条螺旋焊管预精焊机组［2］。预精焊工艺正逐渐取代一步法工艺成为螺旋焊管制造的主流工艺。
本研究主要对预精焊工艺生产的X70钢级准1 016 mm×17.5 mm螺旋埋弧焊管焊接接头的强度、韧性、硬度等性能进行统计分析。
1生产工艺
1.1工艺特点
1.1.1一步法工艺
螺旋埋弧焊管一步法生产工艺内外焊焊接如图1所示。
一步法工艺生产时，钢管成型和内外焊同步进行。钢带进入成型器后发生塑性变形，两侧边缘在O点“合缝”，到达A点时首先进行内焊，然后旋转大约1.5倍螺距到达B点时再进行外焊。内外焊均采用单丝或双丝埋弧焊。
1.1.2预精焊工艺
螺旋埋弧焊管预精焊生产工艺内外焊焊接如图2所示。预精焊生产时，成型和内外焊接分开进行。钢带成型后首先在一步法工艺的内焊位置（A点）进行预焊，按照钢管定尺要求切割成规定长度的管坯，然后进入精焊台架。精焊时首先在C点至A点（见图2）之间进行内焊，然后旋转大约0.5倍螺距到达B点时再进行外焊。预焊采用熔化极气体保护焊，熔深较小，一般不超过5 mm；内外焊均采用双丝或三丝埋弧焊，预焊焊缝金属完全熔化进入内外焊缝金属内。
1.2工艺参数
1.2.1一步法工艺
采用一步法工艺生产X70钢级准1016mm×17.5 mm螺旋埋弧焊管时，焊接坡口形式为X形，其中：内焊坡口角度60°～70°，坡口深4～5mm；外焊坡口角度70°～80°，坡口深4～5mm。内外焊均采用双丝埋弧焊，内焊线能量为21.33～24.89kJ/cm，外焊线能量为23.51～26.66kJ/cm。
1.2.2预精焊工艺
采用预精焊工艺生产X70钢级准1016mm×17.5 mm螺旋埋弧焊管时，焊接坡口形式为X形，其中：内焊坡口角度70～80°，坡口深5～7mm；外焊坡口角度70～80°，坡口深4～5mm。预焊采用熔化极气体保护焊，内焊采用三丝埋弧焊，外焊采用双丝埋弧焊；预焊线能量为2.1～3.9 kJ/cm，内焊线能量为26.27～29.68 kJ/cm，外焊线能量为20.06～22.92 kJ/cm。
2试验结果
2.1管体性能
X70钢级准1 016 mm×17.5 mm螺旋埋弧焊管管体性能见表1和表2。
2.2一步法工艺焊接接头性能
一步法工艺生产的X70钢级准1 016 mm×17.5 mm螺旋埋弧焊管焊接接头性能见表3和表4。
2.3 二步法工艺焊接接头
性能采用二步法工艺生产的X70钢级准1016mm×17.5 mm螺旋焊管焊接接头性能见表5和表6；焊接接头抗拉强度分布见图3，焊缝夏比冲击功分布见图4，热影响区（HAZ）夏比冲击功分布见图5。
3分析与讨论
3.1强度
从图3可以看出，预精焊工艺生产的X70焊管焊接接头抗拉强度基本符合正态分布，685～725MPa区间所占比例最大，平均值达到702 MPa，与一步法工艺生产的X70焊管焊接接头抗拉强度（平均值698 MPa）基本相当，高于管体实际强度约56MPa，远远满足了技术条件要求。
从图4、图5可以看出，预精焊工艺生产的X70焊管焊接接头焊缝及热影响区-10℃夏比冲击功基本符合正态分布，焊缝夏比冲击功平均值达到了159 J，热影响区夏比冲击功平均值达到了211 J；管体母材夏比冲击功最高，热影响区次之，焊缝最低。
从表3、表5可以看出，预精焊工艺生产的X70焊管焊接接头具有良好的低温韧性，焊缝及热影响区夏比冲击功均略高于一步法工艺，焊缝高出约10 J，热影响区高出约7 J。在现有焊接热输入下，热影响区夏比冲击功低于母材约144 J。
由于预精焊工艺生产时成型和焊接分开进行，焊接条件明显优于一步法工艺，焊缝内部夹杂物、偏析、微裂纹等内部缺陷减少，因此内焊缝冲击功具有一定提高。外焊与一步法工艺参数差异较小，冲击功相差不大。综合作用之下，预精焊工艺焊管的焊缝冲击功略高于一步法工艺。
预精焊工艺精焊时，内焊热输入明显高于一步法工艺，导致内焊热影响区韧性降低。但由于内外焊之间距离相对较近，内焊对外焊的预热作用加强，使得外焊规范降低，热输入低于一步法工艺，因此外焊热影响区韧性升高。由于技术条件规定，冲击试样距离钢管外表面的距离应不超过2 mm［3］，所以加工出来的冲击试样更多地反映外焊热影响区性能。综合作用之下，预精焊工艺焊管的焊缝热影响区冲击功略高于一步法工艺。
3.3硬度
图6为预精焊与一步法工艺生产焊管的焊接接头维氏硬度。从表2、表4、表6及图6可以看出，预精焊生产X70焊管的焊接接头整体硬度相对较低，平均值为234HV10，最大值为262HV10，其余位置均低于240HV10。预精焊工艺焊管的焊缝及热影响区硬度整体低于一步法工艺，差值约为1～5HV10。热影响区硬度与母材相比具有一定的降低，即有一定的“软化”，差值约为22～25HV10，“软化”程度略大于一步法工艺。
预精焊工艺精焊时内焊使用三丝焊，与双丝焊的一步法工艺相比热输入大、熔池大、冷却速度慢、高温停留时间长，所以内焊缝及影响区硬度略低，热影响区略显“软化”。外焊与一步法工艺相同均使用双丝焊，但由于距离内焊较近，内焊对外焊的预热作用加强，使得冷却速度降低、高温停留时间延长，所以外焊缝及热影响区硬度也略低，热影响区也略显“软化”。
4 结语
统计数据表明，预精焊工艺生产X70钢级准1 016 mm×17.5 mm螺旋埋弧焊管各项性能指标均满足了技术条件要求，由于内外焊与成型分开进行，内焊焊接环境明显改善，焊接接头抗拉强度与一步法工艺基本相当，夏比冲击韧性、维氏硬度等性能略优于一步法工艺，具有良好的综合力学性能。