管道焊接材料及相关标准介绍

随着长输管道向着大口径、高强度、高韧性、厚壁化方向的发展，长输管道焊接施工焊接材料的选择是长输管道安装焊接需要考虑的一个重要方面，长输管道用焊接材料选取的合适与否直接关系着管线安装的焊接质量、施工效率和经济效益。长输管道用焊接材料广义上包括焊条、焊丝、焊剂和保护气体，狭义上特指焊条和焊丝。

1.管道常用焊接材料执行标准

1）现行部分焊接材料的国家标准和行业标准：

图3-7 焊接材料的分类

①HG/T 2537—1993《焊接用二氧化碳》；②HG/T 3728—2004《焊接用混合气体氩-二氧化碳》；③YB/T 5092—2005《焊接用不锈钢丝》；④GB/T 983—2012《不锈钢焊条》；⑤GB/T 4842—2006《氩》；⑥GB/T 5117—2012《非合金钢及细晶粒钢焊条》；⑦GB/T 5118—2012《热强钢焊条》；⑧GB/T 8110—2008《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》；⑨GB/T 12470—2003《埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂》；⑩GB/T 17493—2008《低合金钢药芯焊丝》；（11）11GB/T 12470—2003《埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂》；（12）21GB/T 16945—2009《电子工业用气体氩》；（13）31GB/T 17493—2008《低合金钢药芯焊丝》。

以上所有焊接材料的国家标准或行业标准，都属推荐性标准，而不是强制性标准，这是与国际惯例接轨，也就是说国家标准是最基本的要求，用户可以提出更高、更先进的焊接材料验收标准，要求焊接材料厂家按此投标及供货。

2）现行部分焊接材料AWS标准：

①AWS A5.1《手工电弧焊用碳钢焊条标准》（Specification for Carbon Steel E-lectrodes for Shielded Metal Arc Welding）；②AWS A5.5《手工电弧焊用低合金钢焊条标准》（Specification for Low-Alloy Steel Electrodes for Shielded Metal Arc Welding）；③AWS A5.9《不锈钢焊丝和填充丝标准》（Specification for Bare Stainless Steel Welding Electrodes and Rods）；④AWSA5.18《气体保护焊用碳钢焊丝和填充丝标准》（Specification for Carbon Steel Electrodes and Rods for Gas Shielded Arc Welding）；⑤AWS A5.23《埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂标准》（CarbonSteelElectrodesand Fluxes for Submerged Arc Welding）；⑥AWS A5.28《气体保护电弧焊用低合金钢焊丝和填充丝标准》（Specification for Low-Alloy Steel Electrodesand Rods for GasShiel-dedArcWelding）；⑦AWSA5.29《弧焊用低合金钢药芯焊丝标准》（Specification for Low-Alloy Steel Electrodes for Flux Cored Arc Welding）。

AWS（American Welding Society）是美国焊接协会的缩写，和ASTM（Ameri-can Society for Testingand Materials，美国材料与试验协会）、ASME（American Soci-ety of Mechanical Engineers，美国机械工程师学会）一样，都是美国卓富盛名的材料与焊接行业的非官方组织。ASTM主要是负责各种材料的试验定性，比如其化学成分、力学性能、使用条件和范围等；而ASME的主要成就是傲世的ASME承压设备及核电标准；AWS则是建立起了几乎通行全世界的钢结构焊接规范和焊接材料规范。

我国在加入WTO后，凡是国际争议均参照ISO标准，此标准属欧洲标准体系，我国的标准体系在20世纪60～80年代采用欧洲体系，20世纪80年代以后主要是采用美国体系，少数采用日本体系。

2.长输管道常用焊接材料

（1）焊条 长输管道焊接用焊条目前多采用全位置向下焊焊条和传统的低氢型焊条。全位置向下焊焊条分为两类：一类是高纤维素型的（基于管线钢C、S、P含量较低，可以考虑使用）向下焊条，这种焊条的焊接工艺性能好、熔渣量少，并且吹力较大，防止了熔渣和铁液的下淌，而且有较大的熔透能力和较快的熔敷速度，在各种位置单面焊双面成形效果好，适于根焊和热焊，有代表性的如奥地利伯乐公司生产的BOHLER FOX CEL和BOHLER FOX CEL 85焊条、美国林肯公司生产的FLEETWELD5P+焊条等。另一类是铁粉低氢型向下焊条，该焊条凝固速度快、铁液流动性和浸润性好、全位置焊时不易下淌、焊后焊缝金属韧性好、抗裂性好，适于各层的向下焊接，有代表性的如奥地利伯乐公司生产的BOHLER FOX BVD85焊条。对于传统的低氢型焊条因其全位置向上根焊时，工艺性能一般、引弧困难、电弧稳定性差、飞溅较大、背面成形差、易出现气孔，故目前一般不再采用，一般用于维修、抢修和返修焊接填充盖面焊当中，有代表性的如四川大西洋公司生产的CHE507GX焊条。上述常用高纤维素焊条规格一般为φ3.2mm、φ4.0mm，铁粉低氢型焊条规格一般为φ4.0mm，普通低氢型焊条规格一般为φ3.2mm。

一般来讲，σ_0.5（0.2）≤415MPa输油、输水管道干线焊接可选择高纤维素型焊条进行各层焊接；输气管道或σ_0.5>415MPa输油管道干线焊接可采用高纤维素型焊条根焊、热焊和低氢型向下焊条填充、盖面焊的复合工艺。

下面就对管道常用焊条的特性进行简要叙述：(www.xing528.com)

1）纤维素型焊条。纤维素型焊条的药皮中含有大量的有机物——造气剂，焊接时高温分解出大量的CO和CO₂气体来保护电弧和熔池表面，同时少量的熔渣覆盖在熔池表面，凝固后保护焊缝金属。纤维素型焊条的熔渣量少，并且吹力较大，防止了熔渣和铁液的下淌，而且有较大的熔透能力，另外打底焊时可以单面焊双面成形。纤维素型焊条的不足之处在于它所形成的保护气体中有较多的氢：焊缝金属冷却速度过大时，易使焊缝增氢。

2）低氢型向下焊条。国内目前用的低氢向下焊条多为国外进口，国外焊条的药皮特点尚不太了解。通过实际使用，推测该种焊条采取以下两种措施防止熔渣和铁液下淌：①采用短渣，通过提高熔渣的熔点，使熔渣在较高的温度、较短的时间内就能凝固，从而形成短渣，减少了渣淌的可能性；②采用FeO作为稀释剂，以改善熔渣的流动性和浸润性，增加了熔渣的附着面积，加大了熔渣的附着力，同时使熔渣具有合适的表面张力和黏度，使焊条在进行向下焊接时熔渣不易下淌。

3）传统低氢向上焊条。传统低氢向上焊条药皮的主要组成物是碳酸岩矿石和荧石，碱度较高，熔渣流动性好，焊接工艺性能一般，焊缝波纹较粗，角焊缝焊接时略凸出，熔深适中，脱渣性较好，焊接时要求焊条干燥，并采用短弧焊。可全位置焊，低氢钠型焊条焊接电流为直流反接，低氢钾型焊条焊接电流为交流或直流反接。熔敷金属具有良好的抗裂性和力学性能。这类焊条的工艺性能一般，引弧困难，电弧稳定性差，飞溅较大。

（2）焊丝 焊丝是焊接时作为填充金属或同时作为导电的金属丝，它是长输管道用埋弧焊、气体保护焊和自保护焊等各种工艺方法的焊接材料。目前长输管线用焊丝分为实心焊丝、药芯焊丝两种。

1）实心焊丝。长输管道焊接用实心焊丝主要有两类：一类用于埋弧焊；另一类用于熔化极活性气体保护焊。

埋弧焊用实心焊丝有低锰焊丝，如H08A配合高锰型熔炼焊剂用于低碳钢及强度级别较低的管线钢焊接；中锰焊丝，如H08MnA、H10MnSi，配合高锰高硅低氟型熔炼焊剂主要用于管线钢焊接，并可配合低锰焊剂用于低碳钢焊接；高锰焊丝，如H08Mn2Si、H08Mn2SiA用于管线钢焊接；Mn-Mo焊丝，如H08MnMoA、HO8MnMoTiB，配合低锰中硅中氟型熔炼焊剂、氟碱型烧结焊剂或硅钙型烧结焊剂主要用于强度级别较高的管线钢焊接。埋弧焊实心焊丝的直径一般为1.6～6.4mm。

活性气体保护焊用实心焊丝执行标准有GB/T 8110—2008、AWS5.18和AWS5.28等标准，最常用的焊丝有H08Mn2SiA（如相当于GB/T 8110—2008 ER49-1），它具有良好的焊接工艺性能，适宜于焊接R_eL≤500MPa的管线钢。当焊接强度级别较高的钢种时，则应选择含Mo的焊丝，例如，国产H10MnSiMo焊丝，执行美国标准AWS 5.18ER70S-G的锦泰公司生产的JM—58焊丝、BOHLER SG3—P焊丝和执行美国标准AWSA5.28ER80S-G的锦泰JM—68焊丝等。常用焊丝的规格为φ0.9mm、φ1.0mm、φ1.2mm等。

2）药芯焊丝。近年来，随着长输管线向着高强度、大口径、厚壁化方向发展，传统的手工焊已逐渐被半自动焊和自动焊所取代，其中以半自动焊应用发展最为迅速，与之而来的是药芯焊丝得以迅猛发展。药芯焊丝之所以能得到如此的重视和发展，与它自身的许多特点是分不开的，表现在：①熔敷速度快，焊接生产率高；②与实心焊丝相比，药芯焊丝电弧软、飞溅小，焊接工艺性能好；③熔深大，成形美观；④综合成本低。

药芯焊丝按焊接时保护方式的不同可分为气保护药芯焊丝和自保护药芯焊丝，其中自保护药芯焊丝以其特有的优越性在长输管道中广泛应用，执行标准有GB/T 17493—2008和AWS A.29。有代表性的有T8—Ni1型（例如天津金桥JC—29Ni1φ2.0mm焊丝、美国郝伯特HOBART 81N1φ2.0mm焊丝）、T8—Ni2、T8—K6型（林肯NR207 φ2.0mm焊丝）等，这种焊丝全位置操作性能好，熔敷速度快，同时焊缝金属韧性好，但焊缝金属在焊态下粗大的柱状晶组织的出现，使得其焊缝金属冲击韧度在焊态与热处理之间，且多层焊和单道焊之间有很大的差别。因此采用T8型自保护焊丝焊接时，应严格控制焊接参数、热输入量、焊接道次以及每道焊层的厚度等。

（3）保护气体 一般而言，长输管道的安装焊接多采用二氧化碳气体保护焊和氧化性混合气体保护焊，即所用的气体为CO₂、CO₂+Ar或CO₂+Ar+O₂。其中惰性气体（如Ar）在熔化极气体保护焊中的作用是把电弧和熔化金属周围的空气排开，以免空气中的有害成分影响电弧的稳定性和液态金属被污染。其他非惰性气体（如CO₂、O₂）也能用来作为熔化极气体保护焊的保护气体。其前提是这些气体虽然能与被保护液体金属发生某些冶金反应，但在焊接过程中可以创造条件使这些反应的后果不至于造成对焊接接头的危害。如采用CO₂作为保护气体，虽然在焊接过程中CO₂在电弧的高温下分解出O₂和CO，进而使Fe氧化生成FeO并可能导致气孔，但这一不良影响可通过在焊丝中加入适量的Si、Mn等脱氧元素来予以解决。研究发现，保护气体成分和流量对焊缝成形有一定的影响，成分和流量不同，焊缝中含氧不同，焊缝成形不同，缺陷几率也不同。如进行STT气体保护焊根焊时采用纯CO₂作为保护气体且流量偏大时，因CO₂分解吸热作用焊缝冷凝加快，铁液流动性变差，致使正面焊缝易形成山脊形，在随后的焊接过程中其凹陷处易导致未熔合、夹渣等缺陷，背面焊缝易导致假熔现象，这一问题在施焊环境温度较低和热输入较低时表现尤为突出。此外，焊缝因快速冷凝易导致焊缝中出现气孔。若采用混合气体如CO₂（15%～20%，质量分数）+Ar（85%～80%，质量分数）可改善铁液的流动性，获得良好的焊缝成形，母材与焊缝过渡良好且焊缝中含氧量低，焊缝冲击韧度好。这一点在选择保护气体成分和流量时应予以重视。

（4）焊剂 对于焊剂的选择主要考虑焊剂的类型、焊剂与焊丝的匹配特性、焊剂的冶金性能和工艺性能。此外焊剂的粒度、含水量、机械夹杂物、硫磷含量也应予以考虑。从改善焊缝金属韧性的角度考虑，可选择高碱度焊剂。但应注意，当碱度超过某一临界值时，再提高碱度则会导致焊缝韧性下降，见表3-2。

表3-2中，采用碱度最高的SJ102焊剂，焊缝韧性并不高，这主要是因为对于管线钢焊接，要求较高的焊接速度，特别是在厚板（≥12.7mm）不开坡口、不留间隙的焊接条件下，工艺性能恶化，焊缝表面出现气孔、麻点，焊缝中氧化物、夹杂物明显增多，导致韧性下降。因此，合理选择焊剂，对提高焊缝韧性有重要意义。

表3-2 德国X70级管线钢试焊时焊剂碱度对焊缝冲击韧度的影响