1、 X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊 工艺的研发 目录目录 一、课题背景.3 二、小组简介.3 三、选择课题.5 四、设定目标.7 五、提出多种方案并确定最佳方案.8 六、制定对策.24 七、按对策实施.25 八、效果检查.29 九、标准化.31 十、总结和下一步打算.33 附录.35 X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 3 一、一、课题背景课题背景 随着我国经济建设的快速发展，对能源的需求也日益增大，我国管道建设将朝着大口径、高压力方向发展，X90 正是顺应时代的发展而研制开发出来的新一代高强度管线钢。由于 X90 管线钢是通过细晶强化、位错强化等获得的低合金高强钢，其焊接冷裂纹敏2、感性较大，焊接时容易出现接头热影响区软化、焊缝低温冲击韧性较差、焊口合格率较低等问题，现场焊接施工过程中，具有焊接工艺窗口窄、焊接环境要求苛刻等特点。因此，X90 管线钢的现场焊接问题是制约 X90 管道工程建设的重大问题。众所周知，国内高钢级管道焊接施工主要采取自保护药芯焊丝半自动焊，焊接过程中存在较多质量问题。为了克服自保护药芯焊丝半自动焊存在的问题同时适应 X90 管道试验段建设的要求，管道科学研究院焊接技术中心 QC 小组针对 X90 管线钢管开展了气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发。二、二、小组简介小组简介 管道科学研究院焊接技术中心 QC 小组概况和成员情况见表 1和表 2。X90 3、钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 4 表表 1 小组概况表小组概况表 小组名称小组名称 管道科学研究院管道科学研究院焊接焊接 QC 小组小组 注册编号注册编号 YJY-HJS-2015 课题名称课题名称 X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 成立时间成立时间 2014年 10 月 课题类型课题类型 创新型 活动时间活动时间 2014年 10 月2015 年 12月 小组人数小组人数 10人 活动次数活动次数 30次 获奖情况获奖情况 2016年度管道局第 32届优秀 QC 小组成果活动一等奖（排名第一）（排名第一）2016年度石油工程建设协会优秀 QC 小组成果活动一等奖 制表人：4、王世新 时间：2014.10.22 表表 2 小组成员情况小组成员情况 序序 号号 姓姓 名名 年年 龄龄 文化程度文化程度 职职 称称/职职 务务 组组 内内 分分 工工 备备 注注 1 34 博士 工程师/QC 组长 整体策划、报告编制、成果发布 发布人 2 41 硕士 高工 项目管理、控制 3 45 博士 教高 项目指导、策划 4 30 硕士 工程师 课题实施、资料整理 5 32 本科 工程师 现场实施 6 33 硕士 工程师 现场调研 7 50 本科 高工/注册 QC中级诊断师 QC 培训/指导 8 31 本科 工程师 项目管理 9 30 博士 博士后 资料编制、整合 10 35 硕士5、 工程师 资料整理、收集 制表人：夏培培 时间：2014.10.22 X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 5 三三、选择课题、选择课题 1、问题的提出、问题的提出 X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊技术是针对新一代 X90 管线钢管选用气保护药芯焊丝进行管道全位置半自动焊的一项技术，对该项技术的掌握能提高 X90 管线钢管环焊接头的质量，提高施工效率，减少现场焊口的返修率。针对该工艺，小组成员检索了国内外大量的期刊和文献，并未发现相关的报道。2、确定课题、确定课题 目前国内高钢级管道焊接施工主要采取自保护药芯焊丝半自动焊的方式进行，焊接施工过程中存在较多的问题，主要包括：（1）焊接不6、同合金成分高钢级管线钢时，焊接接头冲击性能不稳定，离散性大，部分冲击吸收功低于验收指标（见图 1 所示）。QGQG BGBGHGHGTGTGLGLGWGWGJTJT020406080100120140160180200 Hobart X90 JC 90 AFR-90 THY68CVN/J(-10)QGQG BGBGHGHGTGTGLGLGWGWGJTJT050100150200250300 Hobart X90 JC 90 AFR-90 THY68CVN/J(-10)图图 1 焊接接头冲击韧性结果焊接接头冲击韧性结果 制图人：杨柳青 时间：2014.10.25 图图 2 刻槽锤断试样断口形貌刻7、槽锤断试样断口形貌 制图人：闫臣 时间：2014.10.25 X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 6（2）焊材与母材匹配性差，焊缝扩散氢含量、夹杂物等较严重（见图 2 所示），焊接接头对温度敏感性较高。为了解决自保护药芯焊丝半自动焊焊接接头冲击性能不稳定，离散性大，焊材与母材匹配性差的问题，小组经反复讨论并且结合现有课题的大量研究工作，发现这个问题是自保护药芯焊丝本身固有的一个特点。针对该问题 QC 小组依托股份公司重大专项课题X90/X100 钢管现场焊接工艺及环焊缝综合评价技术研究，选用气保护药芯焊丝进行了一系列的研究工作。因此，课题选定为：X90X90 钢管气保护药芯焊丝半自动8、焊工艺的研发钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 7 四四、设定目标、设定目标 1、目标的提出、目标的提出 目标值：目标值：（1）试验温度-10时焊缝冲击韧性大于 85J；（2）焊口一次合格率达到 95%以上。2、目标的可行性分析、目标的可行性分析 针对焊缝低温冲击韧性及焊口一次合格率的目标，小组对自身具备的条件进行了分析，具体如下：（1）研究院依托股份公司重大专项课题X90/X100 钢管现场焊接工艺及环焊缝综合评价技术研究进行了 X90 钢管的焊接性分析，为气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发提供了技术基础；（2）研究院焊接技术中心具有管道焊接工艺9、评定资质、焊工考试资质及焊工培训资质，并且拥有较多国内外先进的管道焊接设备，为气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发提供了条件保障。（3）管道科学研究院焊接技术中心 QC 小组成员具有管道焊接技术研究和现场焊接的丰富经验，其中多人参与过西一线、二线及三线等重大管道工程现场焊接施工项目，有能力研发出 X90 高强度管线钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺，有可能将焊缝-10冲击韧性提高到 85J 以上并且焊口一次合格率达到 95%。经小组反复分析讨论，认为焊缝低温冲击韧性及焊口一次合格率的目标值是可以实现的。X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 8 五五、提出、提出多种方案并确定最佳多种方案并确定最10、佳方案方案 1、提出方案、提出方案 小组运用头脑风暴法，集思广益，从多角度提出可供选择的观点，并用亲和图加以归类、汇总得出三种方案：调整预热温度及道间温度工艺、调整电流电压焊接速度工艺和调整保护气体工艺。如图 3 所示。化学成分及碳当量化学成分及碳当量焊接性分析焊接性分析熔敷金属测试熔敷金属测试全位置操作性全位置操作性电流电流电压电压焊接方式及坡口形式焊接方式及坡口形式保护气体保护气体X90钢管分析钢管分析焊接材料确定焊接材料确定其他其他焊接工艺参数焊接工艺参数调整电流电压焊接速度工艺调整电流电压焊接速度工艺X90钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺化学成分及碳当量化学11、成分及碳当量焊接性分析焊接性分析熔敷金属测试熔敷金属测试全位置操作性全位置操作性保护气流量保护气流量保护气比例保护气比例预热及道间温度预热及道间温度电流电压及焊接速度电流电压及焊接速度焊接方式及坡口形式焊接方式及坡口形式X90钢管分析钢管分析焊接材料确定焊接材料确定其他其他保护气体保护气体调整保护气体工艺调整保护气体工艺化学成分及碳当量化学成分及碳当量焊接性分析焊接性分析熔敷金属测试熔敷金属测试全位置操作性全位置操作性道间温度道间温度预热温度预热温度焊接方式及坡口形式焊接方式及坡口形式电流电压及焊接速度电流电压及焊接速度保护气体保护气体X90钢管分析钢管分析焊接材料确定焊接材料确定其他其他预热12、及道间温度预热及道间温度调整预热及道间温度工艺调整预热及道间温度工艺焊接速度焊接速度预热及道间温度预热及道间温度 图图 3 气保护药芯焊丝半自动焊工艺气保护药芯焊丝半自动焊工艺亲和图亲和图 制图人：杨柳青 时间：2014.11.10 X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 9 2、逐一试验论证、逐一试验论证 小组成员对提出的三个方案进行了试验，逐一试验论证，结果见表 3 所示。表表 3 各个方案的试验分析统计表各个方案的试验分析统计表 方案方案 实施过程实施过程 特点特点 分析分析 调整调整预预热及道热及道间温度间温度工艺工艺（方案（方案一）一）X90 钢管分析焊材确定预热温预热温度及道13、间温度度及道间温度焊接方式坡口形式保护气体电流电压焊接速度 分别调整预热及道间温度连续在试验管段进行 4道口的焊接；-10下焊缝低温冲击功：86J、92J、90J 和 95J；焊口一次合格率：92%、91%、95%和 94%；焊接总时间：115min、125min、130min 和 128min。1、预热温度和道间温度提高，焊接效率略微调高；2、焊缝冲击功离散度小；3、焊接过程流畅、全位置操作性好，焊缝不容易出现夹渣、气孔等缺陷；4、预热温度和道间温度的调整对焊缝低温冲击的影响不明显。1、该工艺的调整对低温冲击韧性和焊口一次合格率的变化影响不大；2、焊口一次合格 率 差 别 较小。调整调整电电14、流电压流电压焊接速焊接速度度工艺工艺（方案（方案二）二）X90 钢管分析焊材确定预热温度及道间温度焊接方式坡口形式保护气体电流电压焊接速度电流电压焊接速度 分别调整电流电压及焊接速度分别进行 4 道口的焊接；-10下焊缝低温冲击功：83J、92J、95J 和 103J；焊口一次合格率：88%、94%、98%和 96%；焊接总时间：100min、110min、140min和 150min。1、焊接电流、电压及焊接速度的变化对焊缝低温冲击功焊接和焊口一次合格率影响较大；2、焊接速度较快时容易埋渣，焊接总时间变化明显；3、焊接过程流畅、焊缝不容易出现气孔，且焊缝扩散氢含量较低。1、技术可行，预期效果15、有望达成；2、一次合格率最高可达98%；3、该工艺的调整对低温冲击韧性和焊口一次合格率的变化影响最大。X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 10 调整调整保保护气体护气体工艺工艺（方案（方案三）三）X90 钢管分析焊材确定预热温度及道间温度焊接方式坡口形式保护气体保护气体电流电压焊接速度 分别选择调整保护气体流量和保护气体混合比例连续在试验管段进行 4道口的焊接；-10下低温冲击功：90J、98J、96J、93J；焊口一次合格率：87%、90%、96%和 94%；焊接总时间：120min、130min、123min和 125min。1、对焊接材料的要求较高；2、保护气流量的变化对焊缝中16、夹渣及气孔影响明显；3、焊接流畅，全位置操作性好；4、焊缝冲击功离散度小，保护气体的变化对冲击韧性的影响较小。1、技术可行，预期效果有望达成；2、焊口的一次合格率变化较大；3、该工艺的调整对低温冲击影响较小，对焊口一次合格率的变化影响较大。试验时间：2014年 11月 地点：河北省廊坊市油气输送安全国家工程实验室 试验人：闫臣 制表人：杨柳青 时间：2014.11.28 图 4、图 5 和图 6 分别为试验验证中低温冲击韧性、焊口一次合格率和单道焊口的焊接时间折线图。表 4 为三个试验方案验证分析表。图图 4 试验验证中低温冲击韧性折线图试验验证中低温冲击韧性折线图 制图人：王世新 时间：2017、14年 11月 29 日 X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 11 图图 5 试验验证中试验验证中焊口一次合格率焊口一次合格率折线图折线图 制图人：夏培培 2014年 11月 29 日 图图 6 试验验证中试验验证中单道焊口的焊接时间单道焊口的焊接时间折线图折线图 制图人：郭静薇 2014年 11月 29 日 对三个方案验证分析：（1）焊缝低温冲击韧性是体现焊口质量的重要指标，结合表 4和图 4 可以看出，方案二焊缝低温冲击韧性优于方案一和方案三；X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 12（2）焊口一次合格率也是体现焊口质量的重要指标，焊缝缺陷率是反映焊口一次合格率的重要参数18、，结合表 4 和图 5 可以看出，方案二焊口一次合格率优于方案一和方案三；（3）单道焊口焊接时间反映焊口的焊接效率，可以做为 X90钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺研发的参考指标，结合表 4 和图6 可以发现，方案二焊口一次合格率优于方案一和方案三。表表 4 三个三个方案方案验证分析表验证分析表 其他其他 试验方案试验方案 低温冲击功低温冲击功（试验温度：（试验温度：-10）一次合格率一次合格率 射线射线探伤探伤（缺陷率）（缺陷率）单道焊口单道焊口焊接时间焊接时间 结论结论 方案一方案一 差别较小 差别不大 较低 差别较小 不采用不采用 方案二方案二 差别最高 差别最大 较低 差别较大 采用采用19、 方案三方案三 差别不大 差别较大 较低 差别较大 不采用不采用 注：文中缺陷率是指焊缝在射线探伤时，气孔、夹渣、未熔合等缺欠在每道焊口中连续 300mm长度内累计长度不超过 25mm的数量。制表人：夏培培 时间：2014.11.29 经试验分析可确认：综合比较三个工艺方案，方案二调整电流电压焊接速度工艺确定进入最佳方案细化程序。3、最佳、最佳方案细化方案细化 结合上述三个方案验证分析结果，同时将 X90 钢管分析、焊接材料确定及焊接工艺参数优化，采用树图工具进行细化，如图 7 所示。X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 13 调调整整电电流流电电压压焊焊速速工工艺艺X90钢管分析钢管20、分析焊接材料确定焊接材料确定焊接工艺参数焊接工艺参数化学成分及碳当量分析化学成分及碳当量分析熔敷金属性能熔敷金属性能全位置操作性能全位置操作性能焊接性分析焊接性分析预热温度及层间温度预热温度及层间温度保护气流量保护气流量焊接速度焊接速度电流电压电流电压1#钢管钢管1#焊接材料焊接材料大电流电压大电流电压2#钢管钢管2#焊接材料焊接材料小电流电压小电流电压1#钢管钢管2#钢管钢管 图图 7 最佳最佳方案细化树图方案细化树图 制图人：杨柳青 时间：2014.12.2 表表 5 焊接焊接工艺要求工艺要求 工序工序 工艺要求工艺要求 X90钢管分析 钢管碳当量 Ceq 小于 0.52，钢管具有良好的焊21、接性能。焊接材料确定 AWS 5.36 E91T1E111T1型号，熔敷金属抗拉强度大于690Mpa，-40冲击功大于 70J，全位置操作性能优良。焊接方式及坡口形式 采用多层多道焊方式，摆焊；2230 V型坡口。焊接效率高，缺陷少。焊接工艺参数 预热温度：100120，层间温度：80100，电流：180240A，电压：2028V，焊接速度：1020cm/min，焊缝-10冲击功大于 85J。制表人：隋永莉 时间：2014.12.10 X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 14 X90 钢管分析、焊接材料确定、焊接工艺参数三部分细化方案试验必须满足GB T 31032-2014 钢制管22、道焊接验收规范的要求，主要判据及采取的试验焊接工艺参数见表 5。在采纳表 5 焊接工艺参数的同时为了进行工艺参数的优化，减小试验量，QC 小组通过设计正交试验的方式开展了试验。本次试验的目的是提高焊缝低温冲击韧性并且保证焊口的一次合格率达到95%以上，故确定焊缝冲击韧性 Kcv 为指标，选取电流、电压、焊接速度作为要考察的因素，每个因素选取三个不同的状态进行比较，列成的因素水平表见表 6，选用 L9（34）表，共 9 次试验。列出的试验方案表见表 7。表表 6 三因素三水平表三因素三水平表 因素因素 试验号试验号 电流电流 A 电压电压 V 焊接速度焊接速度 mm/min 1 190 22 123、50 2 210 24 200 3 230 26 300 制表人：杨柳青 时间：2015.3.18 表表 7 L9（34）正交试验结果）正交试验结果 因素因素 试验号试验号 电流电流 A 电压电压 V 焊接速度焊接速度 mm/min 指标指标 Kcv J（-10）1 1（190）1（22）1（150）89 2 2（190）2（24）2（200）95 3 3（190）3（26）3（300）98 4 1（210）1（22）2（200）96 X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 15 5 2（210）2（24）3（300）103 6 3（210）3（26）1（150）97 7 1（230）124、（22）3（300）94 8 2（230）2（24）1（150）108 9 3（230）3（26）2（200）103 282 279 294 T=883 296 306 294 305 298 295 极差 R 23 27 1 制表人：杨柳青 时间：2015.3.18 先“看一看”，通过表 7 可以看出，所有焊口焊缝低温冲击韧性均满足标准的要求，试验编号 5、8 和 9 的结果较好；电流电压参数较大的情况下焊缝低温冲击结果较高。再“算一算”利用极差分析法，确定各因素的主次关系：电压电流焊接速度。为了保证焊口一次合格率及焊缝低温冲击韧性指标，在后续焊接实施过程中要重点考虑这种主次关系。X90 钢25、管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 16（1 1）X90X90 钢管分析钢管分析 化学成分及碳当量分析化学成分及碳当量分析 小组成员对两种不同合金成分 X90 钢管（规格 1219 16.3mm）化学成分及碳当量进行了分析，见表 8 所示。采用的碳当量计算公式为国际焊接学会推荐的碳当量公式 CE(IIW):()/6()/5()/15(%)CE IIWCMnCrMo VNiCu式中采用 计算得 1#钢管 CE=0.46，2#钢管 CE=0.53。表表 8 X90 钢管化学成分及碳当量钢管化学成分及碳当量 钢管 C Si Mn P S Cr Mo Ni Al Cu Nb Ti V B 1#0.0526、 0.16 1.91 0.008 0.004 0.17 0.16 0.19 0.015 0.14 0.05 0.01 0.004 0.001 2#0.055 0.23 1.92 0.006 0.003 0.31 0.27 0.38 0.032 0.02 0.08 0.014 0.004 0.001 制表人：赵海鸿 时间：2015.1.5 焊接性试验焊接性试验 小组成员针对上述两种不同合金成分 X90 钢管进行了焊接性试验，见表 9所示。表表 9 X90 钢管焊接性试验实施分析表钢管焊接性试验实施分析表 焊接性试验焊接性试验 试验结果试验结果 插销试验插销试验 针对 X90 钢管进行了 30件插27、销试验。试验结果：试验结果：1#和 2#钢管临界断裂应力分别为 850Mpa和 740Mpa，1#钢临界断裂应力高于 2#，结合化学成分可知，由于 2#化学成分较高，碳当量较高，焊接时容易产生淬硬组织，提高热影响区冷裂纹倾向，造成临界断裂应力较低。X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 17 斜斜 Y 坡口试坡口试验验 针对 X90 钢管进行了 36组斜 Y坡口试验。试验结试验结果：果：1#和 2#钢管斜 Y坡口试样断面未观察到明显的裂纹，可以认为该试验对这两种钢管冷裂纹倾向不敏感。初步确定预热温度大于 120。物理热模拟物理热模拟试验试验 针对 X90 钢管进行了 54件物理热模拟冲击28、试验。0501001500200400600800100012001400 30 25 20 16 12 6TemperatureTime 01234567891011-5005010015020025030035040045025KJ/cm 20KJ/cm 1#2#冲击吸收功 冲击吸收功/A/Ak kV V6KJ/cm 试验结果：试验结果：分别针对 1#和 2#钢管模拟了不同热输入量下，钢管热影响区冲击功的变化情况，结果表明：2#钢管热影响区的冲击韧性离散性较大，说明钢管本身焊接性较 1#差。制表人：杨柳青 时间：2015.2.5 X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 18 试验确认29、：如表 10 所示，1#钢管化学成分和碳当量较低，且通过插销试验、斜 Y 坡口试验及物理热模拟试验表明，1#钢管冷裂纹敏感性小于 2#钢管，具有较好的焊接性，最终选择 1#钢管为试验钢管。表表 10 X90 钢管钢管分析表分析表 钢管钢管 化学成分及碳当量化学成分及碳当量 焊接性试验焊接性试验 结论结论 1#钢管钢管 较低 较好 采用采用 2#钢管钢管 较高 较差 不采用不采用 制表人：杨叠 时间：2015.2.5（2 2）焊接材料确定焊接材料确定 小组成员对 X90 钢管相匹配的焊接材料熔敷金属及全位置操作性能进行分析，并进行了焊接性试验，见表 11 所示。表表 11 焊焊接材料确定接材料确30、定实施分析表实施分析表 焊接材料焊接材料 试验结果试验结果 1#焊材焊材 试验结果：试验结果：焊材熔敷金属性能：抗拉强度：635Mpa，-40低温冲击：86J，76J，71J，伸长率：22%，其他性能要求满足标准要求。焊接工艺性能：焊材的电弧稳定性、脱渣性、再引弧性能、飞溅率、熔化系数、熔敷效率及焊接发尘量等较好，全位置操作性能良好。X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 19 2#焊材焊材 试验结果：试验结果：焊材熔敷金属性能：抗拉强度：726Mpa，-40低温冲击：93J，95J，89J，伸长率：22%，其他性能要求满足标准要求。焊接工艺性能：焊材的电弧稳定性、脱渣性、再引弧性能、飞31、溅率、熔化系数、熔敷效率及焊接发尘量等优良。全位置操作性能优良。制表人：杨叠 时间：2015.3.5 试验确认：如表 12 所示，1#和 2#焊接材料熔敷金属力学性能均满足标准要求，但是对于焊接工艺性能，2#焊材电弧稳定性、脱渣性、再引弧性能、飞溅率、熔化系数、熔敷效率及焊接发尘量等优良，全位置操作性能优良。最终选择 2#焊接材料做为试验焊材。表表 12 焊接材料确定焊接材料确定表表 熔敷金属力学性能熔敷金属力学性能 焊接工艺性能焊接工艺性能 结论结论 1#焊接材料焊接材料 良好 良好 不采用不采用 2#焊接材料焊接材料 优良 优良 采用采用 制表人：闫臣 时间：2015.3.6（3 3）焊接32、工艺参数焊接工艺参数 焊接工艺参数实施过程中，小组成员采用预热温度（层间温度）+保护气流量+调整电流电压焊速 2 种方式开展了气保护药芯焊丝半自动焊工艺试验。见表 13 和表 14。X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 20 表表 13 小小电流电压电流电压实施分析表实施分析表 方案方案一一 方案思路方案思路 预热温度预热温度（层间温（层间温度）度）+保保护气流量护气流量+小小电流电流电压电压 采用预热温度（层间温度）+保护气流量+小电流电压。20406080100120140160 Ti 75 CVN/J(-10)焊接工艺参数：焊接工艺参数：预热温度 120，层间温度 100，保护气33、流量 20-25L/min，干伸长15-20mm，电流：180-200A，电压：22V。试验结果：试验结果：达到标准要求，-10时低温冲击功平均为 83J、焊缝缺欠主要以夹渣和气孔为主，缺欠率较低，约 4%左右，全位置操作性较好，焊工可灵活操作，焊接效率高。制表人：杨柳青 时间：2015.4.8 X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 21 表表 14 大电流电压大电流电压实施分析表实施分析表 方案方案二二 方案思路方案思路 采用采用预预热温度热温度（层间（层间温度）温度）+保护气保护气流量流量+大电流大电流电压电压。采用预热温度（层间温度）+保护气流量+大电流电压。204060801034、0120140160 Ti 75 CVN/J(-10)焊接工艺焊接工艺参数：参数：预热温度 120，层间温度 100，保护气流量 20-25L/min，干伸长 15-20mm，电流：200-240A，电压：24-26V。试验结果：试验结果：达到标准要求，-10时低温冲击功平均为 100J、冲击韧性集中度较好，焊缝缺欠主要以气孔为主，缺欠率非常低，约 0.5%左右，全位置操作性优良，焊工可灵活操作，焊接效率高。制表人：杨柳青 时间：2015.4.8 X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 22 试验确认：方案二焊缝低温冲击功较高且冲击韧性集中度较好，缺陷率较低，并且以气孔缺陷为主，达到预期35、目标。同时焊接重现性好，冲击韧性集中度较好，极大地降低了焊缝冲击韧性离散造成焊口质量的不稳定性。最终选择方案二预热温度（层间温度）+保护气流量+大电流电压作为最佳方案。经过充分的实验验证后，小组成员绘制了表 15，用以比对细化分解方案的实施结果和各个分解方案的评判标准。表表 15 最佳最佳方案细化分解方案的选定方案细化分解方案的选定 细化方案工序细化方案工序 分解方案分解方案 评判标准评判标准 试验结果试验结果 是否采用是否采用 1、X90 钢管分析钢管分析 1#钢管（碳当量低）钢管碳当量低于0.52，焊 接 性 优良。钢管碳当量低、裂纹敏感性低，焊接性优良。采用采用 2#钢管（碳当量高）钢管36、碳当量高、焊接性一般。不不采用采用 2、焊接材料焊接材料确定确定 1#焊材（强度级别较低）熔敷金属抗拉强度大于 690 Mpa，-40冲击功大于70J，焊接工艺性能优良，全位置性能优良。熔敷金属性能达标，焊接工艺性能良好，全位置操作性能良好。不采用不采用 2#焊材（强度级别较高）熔敷金属性能达标，焊接工艺性能优良，全位置操作性能优良。采用采用 3、焊接工艺参数焊接工艺参数优化优化 小电流电压 一次合格率大于95%，焊缝-10冲击功大于 85J，缺欠率较低。焊缝冲击功不达标，缺欠率较高。不采用不采用 大电流电压 焊缝冲击功达标，缺欠率较低。采用采用 制表人：夏培培 时间：2015.4.28 X937、0 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 23 4、确定最佳、确定最佳方案的细化方案方案的细化方案 通过以上的各个部分试验分析和对比后，小组确定了气保护药芯焊丝半自动焊最佳方案的细化方案。如图 8 所示。调调整整电电流流电电压压焊焊速速工工艺艺X90钢管分析钢管分析焊接材料确定焊接材料确定焊接工艺参数焊接工艺参数化学成分及碳当量分析化学成分及碳当量分析熔敷金属性能熔敷金属性能全位置操作性能全位置操作性能焊接性分析焊接性分析预热温度及层间温度预热温度及层间温度保护气流量保护气流量焊接速度焊接速度电流电压电流电压1#钢管钢管1#焊接材料焊接材料大电流电压大电流电压2#钢管钢管2#焊接材料焊接材料小38、电流电压小电流电压1#钢管钢管2#钢管钢管 图图 8 确定最佳确定最佳方案的细化方案图方案的细化方案图 制图人：杨柳青 时间：2015.5.18 X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 24 六六、制定对策、制定对策 最佳方案确定了之后，小组成员按照 5W1H 的原则制订了以下对策及实施计划表。见表 16。表表 16 对策及实施计划表对策及实施计划表 序号序号 方案方案 对策对策 目标目标 措施措施 地点地点 时间时间 负责人负责人 1 化学成分及碳当量分析、焊接性分析 采用碳当量分析及焊接性试验分析 X90钢管 的 可 焊 接性。碳当量 Ceq 低于0.52，并且焊接性较好的钢管。1.39、化学成分分析测试；2.碳当量分析；3.焊接性试验分析。油气管道输送安全国家工程实验室 2015 年5 月 20日 杨柳青 2 熔敷金属及全位置性能分析 采用熔敷金属检验及焊接工艺性能试验确定焊材。熔敷金属抗拉强度大于 690Mpa，-40冲击大于 70J及焊接工艺性能和全位置操作性好的焊材。1.熔敷金属检验；2.焊接工艺性能试验；3.全 位 置 操 作性。油气管道输送安全国家工程实验室 2015 年6 月 2日 闫臣 3 调整焊接电流电压 采用大电流电压参数进行焊接。焊缝冲击功大于85J，缺欠率低于4%。1.优化焊接工艺参数；2.提高焊缝冲击功，降低射线检验气孔及夹渣缺陷率。油气管道输送安全国40、家工程实验室 2015 年6 月 10日 杨叠 4 气保护药芯焊丝半自动焊工艺应用 将气保护药芯焊丝半自动焊工 艺 应 用 到X90 管道爆破试验现场。确保 X90 钢管爆破试验过程中环焊缝的安全性。1、气保护药芯焊丝半自动焊工艺适应野外焊接操作；2、优化工艺。江 苏X90钢管爆破试验场 2015 年6 月 28日 杨柳青 制表人：杨叠 时间：2015.5.25 X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 25 七七、按对策实施、按对策实施 1、X90 钢管分析钢管分析的实施的实施 小组于 2015 年 5 月 10 日-2015 年 5 月 20 日对 X90 钢管分析步骤进行实施。实施过41、程见图 9 所示。结论：结论：选定的 X90 钢管碳当量 Ceq=0.46，插销试验临界断裂应力为 850-910Mpa，斜 Y 坡口试验未观察到明显的裂纹，物理热模拟试验发现钢管热影响区淬硬组织较少(马氏体含量较低)，说明钢管具有良好的焊接性能，达到预期目标。图图 9 X90 钢管分析钢管分析实施图实施图 制图人：王世新 时间：2015.5.15 X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 26 2、焊接材料确定焊接材料确定的实施的实施 小组于 2015 年 5 月 30 日-2015 年 6 月 5 日对焊接材料确定步骤进行实施，具体包括熔敷金属检验，焊接工艺性能和全位置操作性测试，试验42、实施过程如图 10 所示。图图 10 焊接材料确定焊接材料确定的实施的实施图图 制图人：李奕衫 时间：2015.6.7 结论：结论：选定的焊接材料型号为 AWS 5.36 E101T1，熔敷金属性能：屈服强度：685Mpa，抗拉强度：720Mpa，伸长率：21%，-40冲击功：93J、95J、89J；焊材电弧稳定性、脱渣性、飞溅率、熔化系数及焊接发尘量等优良，全位置操作性能优良。达到预期目标。3、焊接工艺参数焊接工艺参数优化优化的实施的实施 小组于 2015 年 6 月 10 日-2015 年 6 月 20 日对预热温度（层间温度）+保护气流量+大电流电压工艺步骤进行实施。针对 1219X9043、 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 27 16.3mm X90 钢管，单道口焊接时间为 125 分钟。实施过程见图11。20406080100120140160 Ti 75 CVN/J(-10)图图 11 焊接工艺参数焊接工艺参数实施实施图图 制图人：李奕衫 时间：2015.6.20 结论：结论：针对 1219 16.3mm X90 钢管，单道口焊接时间为 125 分钟，焊接预热温度 120，层间温度 100，保护气流量 25L/min，干伸 长 20mm，电流：220-230A，电 压：24V，焊接 速度：15cm/min。焊缝冲击功平均值 103J，冲击功离散性小，射线探伤气孔及夹渣缺44、陷率为 0.3%，达到预期目标。X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 28 4、气保护药芯焊丝半自动焊工艺应用气保护药芯焊丝半自动焊工艺应用 小组于 2015 年 6 月 26 日2016 年 7 月 1 日将气保护药芯焊丝半自动焊工艺应用到 X90 钢管全尺寸气压爆破试验现场的焊接。由于全尺寸气压爆破试验主要考察 X90 钢管管体的止裂性能，因此对环焊缝的要求较高，在爆破试验过程中不能沿着环焊缝开裂。小组顶着巨大的压力实施了此次焊接任务，并且在最终爆破试验过程中没有沿着环焊缝开裂，圆满完成了此次任务。见图 12 所示。图图 12 X90 钢管钢管全尺寸全尺寸气压爆破施工现场气压爆破施45、工现场 制图人：杨柳青 时间：2015.7.5 X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 29 八八、效果检查、效果检查 气保护药芯焊丝半自动焊工艺研发成功以后，在 2015 年 7 月初成功地应用于石油管工程技术研究院在江苏东台进行的 X90 钢管全尺寸气压爆破试验的现场焊接。焊接施工、无损检测及爆破后现场分析证明：气保护药芯焊丝半自动焊焊口一次合格率达到 98%，焊接接头质量安全可靠，见图 13 所示。实践是检验真理的唯一标准，工程实践证明，在气保护药芯焊丝半自动焊工艺研发的 QC 活动中，圆满完成活动目标值，即将焊口一次合格率提高到 95%以上，焊缝低温冲击韧性在 90J 以上，焊口46、质量稳定可靠。图图 13 X90 钢管全尺寸气压爆破钢管全尺寸气压爆破前后现场前后现场 制图人：隋永莉 时间：2015.7.10 X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 30 经济和社会效益分析：经济和社会效益分析：通过对 X90 钢管全尺寸气压爆破试验的现场焊接施工和无损检测的经济效益和社会效益分析：直接经济效益：X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺在焊接施工过程中，提高了焊接效率，减少了返修率，直接降低了焊接施工中的人工成本和施工成本；社会效益：气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发，不仅提高了国内高强度管线钢管焊接施工的水平，而且也提高了我国管道建设在国际上的影响力。先后有较多国内外企47、业院所观摩了 X90 钢管全尺寸气压爆破试验及焊口的裂纹扩展特征。此外国内外较多从事气保护药芯焊丝研发的焊材公司（如 Hobart 焊材集团、伯乐焊材集团、金桥焊材集团和京群焊材集团等）对该工艺表示出了极大的兴趣，取得了良好的社会效益。X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 31 九九、标准化、标准化 为巩固该活动的效果，QC 小组将实施中的有效措施形成了如下工艺评定报告、工艺规程、企业标准、发明专利：1、形成企业标准 1 项X90 钢级天然气管道工程线路焊接技术规范；2、焊接工艺规程 2 项爆破试验用 X90 钢管焊接工艺规程及管道断裂韧性试验场工程焊接工艺规程；3、焊接工艺评定 1 48、项气保护药芯焊丝半自动焊工艺评定。4、申请了发明专利 1 项一种 X90 高强度管线钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺。X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 32 图图 14 气保护药芯焊丝半自动焊气保护药芯焊丝半自动焊工艺成果工艺成果 制图人：杨柳青 时间：2015.12.10 X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 33 十十、总结和下一步打算、总结和下一步打算 1、总结、总结 经过全体 QC 小组成员的通力合作和不懈努力，圆满完成小组活动目标。研发的气保护药芯焊丝半自动焊工艺，首次针对 X90 钢管，实现钢管物理热模拟试验、X90 级别焊接材料工艺性能研究、气保护药芯焊丝半自动49、焊焊接工艺研究及参数优化。在本次活动中，小组成员在研发创新意识、QC 工具的应用、质量意识、团队精神、解决实际问题的能力都得到了提高。表 17 是活动前后是综合素质的评分表，图 15 为自我评价雷达图。表表 17 自我评价表自我评价表 项项 目目 自我评价自我评价 活动前活动前(分分)活动后活动后(分分)解决问题能力解决问题能力 70 90 团队精神团队精神 80 95 个人潜能个人潜能 85 95 QC 工具工具应用应用 70 95 研发研发创新意识创新意识 80 90 质量意识质量意识 70 95 制表人：杨柳青 时间：2015.12.21 X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 350、4 图图 15 自我评价雷达图自我评价雷达图 制图人：闫臣 时间：2015.12.10 2、下一步打算、下一步打算 今后，为了进一步推广气保护药芯焊丝焊接工艺及管道施工现场的自动焊技术，结合自动焊焊口合格率低的问题，我们下一步将要开展的 QC 小组活动课题是：提高气保护药芯焊丝自动焊焊口合格率提高气保护药芯焊丝自动焊焊口合格率 X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 35 附录附录 1、小组活动计划见附表 1。附附表表 1 小组活动计划表小组活动计划表 制表人：夏培培 X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 36 2、小组活动出勤情况见附表 2。附附表表 2 小组活动出勤情况小组活51、动出勤情况 制表人：夏培培 X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的研发 37 一、总体评价 该小组为创新型课题，为解决 X90 管线钢焊接出现焊缝低温冲击韧性较差、焊口合格率交底等问题，小组展开 QC 活动，并制定冲击韧性及焊口一次合格率两项目标。通过对提出的三种方案逐一试验验证，运用统计工具得出较优方案，并对方案进行细化，制定详实的对策实施计划，实施过程数据收集充分，最终形成新的工艺，且满足预先设定的目标要求。活动目的性强，数据收集完善，统计工具运用合理，图片使用得当，小组成果最终形成相关的技术规程、工艺评定报告、企业标准、发明专利，形成企业标准 1 项X90 钢级天然气管道工程线路焊接技52、术规范；焊接工艺规程 2项爆破试验用 X90 钢管焊接工艺规程及管道断裂韧性试验场工程焊接工艺规程；焊接工艺评定 1 项气保护药芯焊丝半自动焊工艺评定；申请了发明专利一种 X90 高强度管线钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺。并且取得了良好的经济效益和社会效益。二、不足之处 1.缺少工程概况，目的是为了了解课题的重要性和了解课题的难点和特点；应详细介绍新一代X90 管线钢管选用气保护药芯焊丝进行管道全位置半自动焊的技术，用图和照片表示；该成果技术含量较高，文字描述较多，介绍课题应浅显易懂；2.应介绍 X90 钢管气保护药芯焊丝半自动焊工艺的流程；在实施过程中重点描述形成企业标准和发明专利相关内容；3.自我评价雷达图的制定时间 2015/12/10,雷达图自我评级调查表 2015/12/21 制定，时间有误。