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1、 X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊 工藝的研發 目錄目錄 一、課題背景.3 二、小組簡介.3 三、選擇課題.5 四、設定目標.7 五、提出多種方案并確定最佳方案.8 六、制定對策.24 七、按對策實施.25 八、效果檢查.29 九、標準化.31 十、總結和下一步打算.33 附錄.35 X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 3 一、一、課題背景課題背景 隨著我國經濟建設的快速發展，對能源的需求也日益增大，我國管道建設將朝著大口徑、高壓力方向發展，X90 正是順應時代的發展而研制開發出來的新一代高強度管線鋼。由于 X90 管線鋼是通過細晶強化、位錯強化等獲得的低合金高強鋼，其焊接冷裂紋敏2、感性較大，焊接時容易出現接頭熱影響區軟化、焊縫低溫沖擊韌性較差、焊口合格率較低等問題，現場焊接施工過程中，具有焊接工藝窗口窄、焊接環境要求苛刻等特點。因此，X90 管線鋼的現場焊接問題是制約 X90 管道工程建設的重大問題。眾所周知，國內高鋼級管道焊接施工主要采取自保護藥芯焊絲半自動焊，焊接過程中存在較多質量問題。為了克服自保護藥芯焊絲半自動焊存在的問題同時適應 X90 管道試驗段建設的要求，管道科學研究院焊接技術中心 QC 小組針對 X90 管線鋼管開展了氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發。二、二、小組簡介小組簡介 管道科學研究院焊接技術中心 QC 小組概況和成員情況見表 1和表 2。X90 3、鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 4 表表 1 小組概況表小組概況表 小組名稱小組名稱 管道科學研究院管道科學研究院焊接焊接 QC 小組小組 注冊編號注冊編號 YJY-HJS-2015 課題名稱課題名稱 X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 成立時間成立時間 2014年 10 月 課題類型課題類型 創新型 活動時間活動時間 2014年 10 月2015 年 12月 小組人數小組人數 10人 活動次數活動次數 30次 獲獎情況獲獎情況 2016年度管道局第 32屆優秀 QC 小組成果活動一等獎（排名第一）（排名第一）2016年度石油工程建設協會優秀 QC 小組成果活動一等獎 制表人：4、王世新 時間：2014.10.22 表表 2 小組成員情況小組成員情況 序序 號號 姓姓 名名 年年 齡齡 文化程度文化程度 職職 稱稱/職職 務務 組組 內內 分分 工工 備備 注注 1 34 博士 工程師/QC 組長 整體策劃、報告編制、成果發布 發布人 2 41 碩士 高工 項目管理、控制 3 45 博士 教高 項目指導、策劃 4 30 碩士 工程師 課題實施、資料整理 5 32 本科 工程師 現場實施 6 33 碩士 工程師 現場調研 7 50 本科 高工/注冊 QC中級診斷師 QC 培訓/指導 8 31 本科 工程師 項目管理 9 30 博士 博士后 資料編制、整合 10 35 碩士5、 工程師 資料整理、收集 制表人：夏培培 時間：2014.10.22 X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 5 三三、選擇課題、選擇課題 1、問題的提出、問題的提出 X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊技術是針對新一代 X90 管線鋼管選用氣保護藥芯焊絲進行管道全位置半自動焊的一項技術，對該項技術的掌握能提高 X90 管線鋼管環焊接頭的質量，提高施工效率，減少現場焊口的返修率。針對該工藝，小組成員檢索了國內外大量的期刊和文獻，并未發現相關的報道。2、確定課題、確定課題 目前國內高鋼級管道焊接施工主要采取自保護藥芯焊絲半自動焊的方式進行，焊接施工過程中存在較多的問題，主要包括：（1）焊接不6、同合金成分高鋼級管線鋼時，焊接接頭沖擊性能不穩定，離散性大，部分沖擊吸收功低于驗收指標（見圖 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)圖圖 1 焊接接頭沖擊韌性結果焊接接頭沖擊韌性結果 制圖人：楊柳青 時間：2014.10.25 圖圖 2 刻槽錘斷試樣斷口形貌刻7、槽錘斷試樣斷口形貌 制圖人：閆臣 時間：2014.10.25 X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 6（2）焊材與母材匹配性差，焊縫擴散氫含量、夾雜物等較嚴重（見圖 2 所示），焊接接頭對溫度敏感性較高。為了解決自保護藥芯焊絲半自動焊焊接接頭沖擊性能不穩定，離散性大，焊材與母材匹配性差的問題，小組經反復討論并且結合現有課題的大量研究工作，發現這個問題是自保護藥芯焊絲本身固有的一個特點。針對該問題 QC 小組依托股份公司重大專項課題X90/X100 鋼管現場焊接工藝及環焊縫綜合評價技術研究，選用氣保護藥芯焊絲進行了一系列的研究工作。因此，課題選定為：X90X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動8、焊工藝的研發鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 7 四四、設定目標、設定目標 1、目標的提出、目標的提出 目標值：目標值：（1）試驗溫度-10時焊縫沖擊韌性大于 85J；（2）焊口一次合格率達到 95%以上。2、目標的可行性分析、目標的可行性分析 針對焊縫低溫沖擊韌性及焊口一次合格率的目標，小組對自身具備的條件進行了分析，具體如下：（1）研究院依托股份公司重大專項課題X90/X100 鋼管現場焊接工藝及環焊縫綜合評價技術研究進行了 X90 鋼管的焊接性分析，為氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發提供了技術基礎；（2）研究院焊接技術中心具有管道焊接工藝9、評定資質、焊工考試資質及焊工培訓資質，并且擁有較多國內外先進的管道焊接設備，為氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發提供了條件保障。（3）管道科學研究院焊接技術中心 QC 小組成員具有管道焊接技術研究和現場焊接的豐富經驗，其中多人參與過西一線、二線及三線等重大管道工程現場焊接施工項目，有能力研發出 X90 高強度管線鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝，有可能將焊縫-10沖擊韌性提高到 85J 以上并且焊口一次合格率達到 95%。經小組反復分析討論，認為焊縫低溫沖擊韌性及焊口一次合格率的目標值是可以實現的。X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 8 五五、提出、提出多種方案并確定最佳多種方案并確定最10、佳方案方案 1、提出方案、提出方案 小組運用頭腦風暴法，集思廣益，從多角度提出可供選擇的觀點，并用親和圖加以歸類、匯總得出三種方案：調整預熱溫度及道間溫度工藝、調整電流電壓焊接速度工藝和調整保護氣體工藝。如圖 3 所示?；瘜W成分及碳當量化學成分及碳當量焊接性分析焊接性分析熔敷金屬測試熔敷金屬測試全位置操作性全位置操作性電流電流電壓電壓焊接方式及坡口形式焊接方式及坡口形式保護氣體保護氣體X90鋼管分析鋼管分析焊接材料確定焊接材料確定其他其他焊接工藝參數焊接工藝參數調整電流電壓焊接速度工藝調整電流電壓焊接速度工藝X90鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝化學成分及碳當量化學11、成分及碳當量焊接性分析焊接性分析熔敷金屬測試熔敷金屬測試全位置操作性全位置操作性保護氣流量保護氣流量保護氣比例保護氣比例預熱及道間溫度預熱及道間溫度電流電壓及焊接速度電流電壓及焊接速度焊接方式及坡口形式焊接方式及坡口形式X90鋼管分析鋼管分析焊接材料確定焊接材料確定其他其他保護氣體保護氣體調整保護氣體工藝調整保護氣體工藝化學成分及碳當量化學成分及碳當量焊接性分析焊接性分析熔敷金屬測試熔敷金屬測試全位置操作性全位置操作性道間溫度道間溫度預熱溫度預熱溫度焊接方式及坡口形式焊接方式及坡口形式電流電壓及焊接速度電流電壓及焊接速度保護氣體保護氣體X90鋼管分析鋼管分析焊接材料確定焊接材料確定其他其他預熱12、及道間溫度預熱及道間溫度調整預熱及道間溫度工藝調整預熱及道間溫度工藝焊接速度焊接速度預熱及道間溫度預熱及道間溫度 圖圖 3 氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝親和圖親和圖 制圖人：楊柳青 時間：2014.11.10 X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 9 2、逐一試驗論證、逐一試驗論證 小組成員對提出的三個方案進行了試驗，逐一試驗論證，結果見表 3 所示。表表 3 各個方案的試驗分析統計表各個方案的試驗分析統計表 方案方案 實施過程實施過程 特點特點 分析分析 調整調整預預熱及道熱及道間溫度間溫度工藝工藝（方案（方案一）一）X90 鋼管分析焊材確定預熱溫預熱溫度及道13、間溫度度及道間溫度焊接方式坡口形式保護氣體電流電壓焊接速度 分別調整預熱及道間溫度連續在試驗管段進行 4道口的焊接；-10下焊縫低溫沖擊功：86J、92J、90J 和 95J；焊口一次合格率：92%、91%、95%和 94%；焊接總時間：115min、125min、130min 和 128min。1、預熱溫度和道間溫度提高，焊接效率略微調高；2、焊縫沖擊功離散度小；3、焊接過程流暢、全位置操作性好，焊縫不容易出現夾渣、氣孔等缺陷；4、預熱溫度和道間溫度的調整對焊縫低溫沖擊的影響不明顯。1、該工藝的調整對低溫沖擊韌性和焊口一次合格率的變化影響不大；2、焊口一次合格 率 差 別 較小。調整調整電電14、流電壓流電壓焊接速焊接速度度工藝工藝（方案（方案二）二）X90 鋼管分析焊材確定預熱溫度及道間溫度焊接方式坡口形式保護氣體電流電壓焊接速度電流電壓焊接速度 分別調整電流電壓及焊接速度分別進行 4 道口的焊接；-10下焊縫低溫沖擊功：83J、92J、95J 和 103J；焊口一次合格率：88%、94%、98%和 96%；焊接總時間：100min、110min、140min和 150min。1、焊接電流、電壓及焊接速度的變化對焊縫低溫沖擊功焊接和焊口一次合格率影響較大；2、焊接速度較快時容易埋渣，焊接總時間變化明顯；3、焊接過程流暢、焊縫不容易出現氣孔，且焊縫擴散氫含量較低。1、技術可行，預期效果15、有望達成；2、一次合格率最高可達98%；3、該工藝的調整對低溫沖擊韌性和焊口一次合格率的變化影響最大。X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 10 調整調整保保護氣體護氣體工藝工藝（方案（方案三）三）X90 鋼管分析焊材確定預熱溫度及道間溫度焊接方式坡口形式保護氣體保護氣體電流電壓焊接速度 分別選擇調整保護氣體流量和保護氣體混合比例連續在試驗管段進行 4道口的焊接；-10下低溫沖擊功：90J、98J、96J、93J；焊口一次合格率：87%、90%、96%和 94%；焊接總時間：120min、130min、123min和 125min。1、對焊接材料的要求較高；2、保護氣流量的變化對焊縫中16、夾渣及氣孔影響明顯；3、焊接流暢，全位置操作性好；4、焊縫沖擊功離散度小，保護氣體的變化對沖擊韌性的影響較小。1、技術可行，預期效果有望達成；2、焊口的一次合格率變化較大；3、該工藝的調整對低溫沖擊影響較小，對焊口一次合格率的變化影響較大。試驗時間：2014年 11月 地點：河北省廊坊市油氣輸送安全國家工程實驗室 試驗人：閆臣 制表人：楊柳青 時間：2014.11.28 圖 4、圖 5 和圖 6 分別為試驗驗證中低溫沖擊韌性、焊口一次合格率和單道焊口的焊接時間折線圖。表 4 為三個試驗方案驗證分析表。圖圖 4 試驗驗證中低溫沖擊韌性折線圖試驗驗證中低溫沖擊韌性折線圖 制圖人：王世新 時間：2017、14年 11月 29 日 X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 11 圖圖 5 試驗驗證中試驗驗證中焊口一次合格率焊口一次合格率折線圖折線圖 制圖人：夏培培 2014年 11月 29 日 圖圖 6 試驗驗證中試驗驗證中單道焊口的焊接時間單道焊口的焊接時間折線圖折線圖 制圖人：郭靜薇 2014年 11月 29 日 對三個方案驗證分析：（1）焊縫低溫沖擊韌性是體現焊口質量的重要指標，結合表 4和圖 4 可以看出，方案二焊縫低溫沖擊韌性優于方案一和方案三；X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 12（2）焊口一次合格率也是體現焊口質量的重要指標，焊縫缺陷率是反映焊口一次合格率的重要參數18、，結合表 4 和圖 5 可以看出，方案二焊口一次合格率優于方案一和方案三；（3）單道焊口焊接時間反映焊口的焊接效率，可以做為 X90鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝研發的參考指標，結合表 4 和圖6 可以發現，方案二焊口一次合格率優于方案一和方案三。表表 4 三個三個方案方案驗證分析表驗證分析表 其他其他 試驗方案試驗方案 低溫沖擊功低溫沖擊功（試驗溫度：（試驗溫度：-10）一次合格率一次合格率 射線射線探傷探傷（缺陷率）（缺陷率）單道焊口單道焊口焊接時間焊接時間 結論結論 方案一方案一 差別較小 差別不大 較低 差別較小 不采用不采用 方案二方案二 差別最高 差別最大 較低 差別較大 采用采用19、 方案三方案三 差別不大 差別較大 較低 差別較大 不采用不采用 注：文中缺陷率是指焊縫在射線探傷時，氣孔、夾渣、未熔合等缺欠在每道焊口中連續 300mm長度內累計長度不超過 25mm的數量。制表人：夏培培 時間：2014.11.29 經試驗分析可確認：綜合比較三個工藝方案，方案二調整電流電壓焊接速度工藝確定進入最佳方案細化程序。3、最佳、最佳方案細化方案細化 結合上述三個方案驗證分析結果，同時將 X90 鋼管分析、焊接材料確定及焊接工藝參數優化，采用樹圖工具進行細化，如圖 7 所示。X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 13 調調整整電電流流電電壓壓焊焊速速工工藝藝X90鋼管分析鋼管20、分析焊接材料確定焊接材料確定焊接工藝參數焊接工藝參數化學成分及碳當量分析化學成分及碳當量分析熔敷金屬性能熔敷金屬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預熱溫度及層間溫度預熱溫度及層間溫度保護氣流量保護氣流量焊接速度焊接速度電流電壓電流電壓1#鋼管鋼管1#焊接材料焊接材料大電流電壓大電流電壓2#鋼管鋼管2#焊接材料焊接材料小電流電壓小電流電壓1#鋼管鋼管2#鋼管鋼管 圖圖 7 最佳最佳方案細化樹圖方案細化樹圖 制圖人：楊柳青 時間：2014.12.2 表表 5 焊接焊接工藝要求工藝要求 工序工序 工藝要求工藝要求 X90鋼管分析 鋼管碳當量 Ceq 小于 0.52，鋼管具有良好的焊21、接性能。焊接材料確定 AWS 5.36 E91T1E111T1型號，熔敷金屬抗拉強度大于690Mpa，-40沖擊功大于 70J，全位置操作性能優良。焊接方式及坡口形式 采用多層多道焊方式，擺焊；2230 V型坡口。焊接效率高，缺陷少。焊接工藝參數 預熱溫度：100120，層間溫度：80100，電流：180240A，電壓：2028V，焊接速度：1020cm/min，焊縫-10沖擊功大于 85J。制表人：隋永莉 時間：2014.12.10 X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 14 X90 鋼管分析、焊接材料確定、焊接工藝參數三部分細化方案試驗必須滿足GB T 31032-2014 鋼制管22、道焊接驗收規范的要求，主要判據及采取的試驗焊接工藝參數見表 5。在采納表 5 焊接工藝參數的同時為了進行工藝參數的優化，減小試驗量，QC 小組通過設計正交試驗的方式開展了試驗。本次試驗的目的是提高焊縫低溫沖擊韌性并且保證焊口的一次合格率達到95%以上，故確定焊縫沖擊韌性 Kcv 為指標，選取電流、電壓、焊接速度作為要考察的因素，每個因素選取三個不同的狀態進行比較，列成的因素水平表見表 6，選用 L9（34）表，共 9 次試驗。列出的試驗方案表見表 7。表表 6 三因素三水平表三因素三水平表 因素因素 試驗號試驗號 電流電流 A 電壓電壓 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：楊柳青 時間：2015.3.18 表表 7 L9（34）正交試驗結果）正交試驗結果 因素因素 試驗號試驗號 電流電流 A 電壓電壓 V 焊接速度焊接速度 mm/min 指標指標 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 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 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 極差 R 23 27 1 制表人：楊柳青 時間：2015.3.18 先“看一看”，通過表 7 可以看出，所有焊口焊縫低溫沖擊韌性均滿足標準的要求，試驗編號 5、8 和 9 的結果較好；電流電壓參數較大的情況下焊縫低溫沖擊結果較高。再“算一算”利用極差分析法，確定各因素的主次關系：電壓電流焊接速度。為了保證焊口一次合格率及焊縫低溫沖擊韌性指標，在后續焊接實施過程中要重點考慮這種主次關系。X90 鋼25、管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 16（1 1）X90X90 鋼管分析鋼管分析 化學成分及碳當量分析化學成分及碳當量分析 小組成員對兩種不同合金成分 X90 鋼管（規格 1219 16.3mm）化學成分及碳當量進行了分析，見表 8 所示。采用的碳當量計算公式為國際焊接學會推薦的碳當量公式 CE(IIW):()/6()/5()/15(%)CE IIWCMnCrMo VNiCu式中采用 計算得 1#鋼管 CE=0.46，2#鋼管 CE=0.53。表表 8 X90 鋼管化學成分及碳當量鋼管化學成分及碳當量 鋼管 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：趙海鴻 時間：2015.1.5 焊接性試驗焊接性試驗 小組成員針對上述兩種不同合金成分 X90 鋼管進行了焊接性試驗，見表 9所示。表表 9 X90 鋼管焊接性試驗實施分析表鋼管焊接性試驗實施分析表 焊接性試驗焊接性試驗 試驗結果試驗結果 插銷試驗插銷試驗 針對 X90 鋼管進行了 30件插27、銷試驗。試驗結果：試驗結果：1#和 2#鋼管臨界斷裂應力分別為 850Mpa和 740Mpa，1#鋼臨界斷裂應力高于 2#，結合化學成分可知，由于 2#化學成分較高，碳當量較高，焊接時容易產生淬硬組織，提高熱影響區冷裂紋傾向，造成臨界斷裂應力較低。X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 17 斜斜 Y 坡口試坡口試驗驗 針對 X90 鋼管進行了 36組斜 Y坡口試驗。試驗結試驗結果：果：1#和 2#鋼管斜 Y坡口試樣斷面未觀察到明顯的裂紋，可以認為該試驗對這兩種鋼管冷裂紋傾向不敏感。初步確定預熱溫度大于 120。物理熱模擬物理熱模擬試驗試驗 針對 X90 鋼管進行了 54件物理熱模擬沖擊28、試驗。0501001500200400600800100012001400 30 25 20 16 12 6TemperatureTime 01234567891011-5005010015020025030035040045025KJ/cm 20KJ/cm 1#2#沖擊吸收功 沖擊吸收功/A/Ak kV V6KJ/cm 試驗結果：試驗結果：分別針對 1#和 2#鋼管模擬了不同熱輸入量下，鋼管熱影響區沖擊功的變化情況，結果表明：2#鋼管熱影響區的沖擊韌性離散性較大，說明鋼管本身焊接性較 1#差。制表人：楊柳青 時間：2015.2.5 X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 18 試驗確認29、：如表 10 所示，1#鋼管化學成分和碳當量較低，且通過插銷試驗、斜 Y 坡口試驗及物理熱模擬試驗表明，1#鋼管冷裂紋敏感性小于 2#鋼管，具有較好的焊接性，最終選擇 1#鋼管為試驗鋼管。表表 10 X90 鋼管鋼管分析表分析表 鋼管鋼管 化學成分及碳當量化學成分及碳當量 焊接性試驗焊接性試驗 結論結論 1#鋼管鋼管 較低 較好 采用采用 2#鋼管鋼管 較高 較差 不采用不采用 制表人：楊疊 時間：2015.2.5（2 2）焊接材料確定焊接材料確定 小組成員對 X90 鋼管相匹配的焊接材料熔敷金屬及全位置操作性能進行分析，并進行了焊接性試驗，見表 11 所示。表表 11 焊焊接材料確定接材料確30、定實施分析表實施分析表 焊接材料焊接材料 試驗結果試驗結果 1#焊材焊材 試驗結果：試驗結果：焊材熔敷金屬性能：抗拉強度：635Mpa，-40低溫沖擊：86J，76J，71J，伸長率：22%，其他性能要求滿足標準要求。焊接工藝性能：焊材的電弧穩定性、脫渣性、再引弧性能、飛濺率、熔化系數、熔敷效率及焊接發塵量等較好，全位置操作性能良好。X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 19 2#焊材焊材 試驗結果：試驗結果：焊材熔敷金屬性能：抗拉強度：726Mpa，-40低溫沖擊：93J，95J，89J，伸長率：22%，其他性能要求滿足標準要求。焊接工藝性能：焊材的電弧穩定性、脫渣性、再引弧性能、飛31、濺率、熔化系數、熔敷效率及焊接發塵量等優良。全位置操作性能優良。制表人：楊疊 時間：2015.3.5 試驗確認：如表 12 所示，1#和 2#焊接材料熔敷金屬力學性能均滿足標準要求，但是對于焊接工藝性能，2#焊材電弧穩定性、脫渣性、再引弧性能、飛濺率、熔化系數、熔敷效率及焊接發塵量等優良，全位置操作性能優良。最終選擇 2#焊接材料做為試驗焊材。表表 12 焊接材料確定焊接材料確定表表 熔敷金屬力學性能熔敷金屬力學性能 焊接工藝性能焊接工藝性能 結論結論 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 優良 優良 采用采用 制表人：閆臣 時間：2015.3.6（3 3）焊接32、工藝參數焊接工藝參數 焊接工藝參數實施過程中，小組成員采用預熱溫度（層間溫度）+保護氣流量+調整電流電壓焊速 2 種方式開展了氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝試驗。見表 13 和表 14。X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 20 表表 13 小小電流電壓電流電壓實施分析表實施分析表 方案方案一一 方案思路方案思路 預熱溫度預熱溫度（層間溫（層間溫度）度）+保保護氣流量護氣流量+小小電流電流電壓電壓 采用預熱溫度（層間溫度）+保護氣流量+小電流電壓。20406080100120140160 Ti 75 CVN/J(-10)焊接工藝參數：焊接工藝參數：預熱溫度 120，層間溫度 100，保護氣33、流量 20-25L/min，干伸長15-20mm，電流：180-200A，電壓：22V。試驗結果：試驗結果：達到標準要求，-10時低溫沖擊功平均為 83J、焊縫缺欠主要以夾渣和氣孔為主，缺欠率較低，約 4%左右，全位置操作性較好，焊工可靈活操作，焊接效率高。制表人：楊柳青 時間：2015.4.8 X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 21 表表 14 大電流電壓大電流電壓實施分析表實施分析表 方案方案二二 方案思路方案思路 采用采用預預熱溫度熱溫度（層間（層間溫度）溫度）+保護氣保護氣流量流量+大電流大電流電壓電壓。采用預熱溫度（層間溫度）+保護氣流量+大電流電壓。204060801034、0120140160 Ti 75 CVN/J(-10)焊接工藝焊接工藝參數：參數：預熱溫度 120，層間溫度 100，保護氣流量 20-25L/min，干伸長 15-20mm，電流：200-240A，電壓：24-26V。試驗結果：試驗結果：達到標準要求，-10時低溫沖擊功平均為 100J、沖擊韌性集中度較好，焊縫缺欠主要以氣孔為主，缺欠率非常低，約 0.5%左右，全位置操作性優良，焊工可靈活操作，焊接效率高。制表人：楊柳青 時間：2015.4.8 X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 22 試驗確認：方案二焊縫低溫沖擊功較高且沖擊韌性集中度較好，缺陷率較低，并且以氣孔缺陷為主，達到預期35、目標。同時焊接重現性好，沖擊韌性集中度較好，極大地降低了焊縫沖擊韌性離散造成焊口質量的不穩定性。最終選擇方案二預熱溫度（層間溫度）+保護氣流量+大電流電壓作為最佳方案。經過充分的實驗驗證后，小組成員繪制了表 15，用以比對細化分解方案的實施結果和各個分解方案的評判標準。表表 15 最佳最佳方案細化分解方案的選定方案細化分解方案的選定 細化方案工序細化方案工序 分解方案分解方案 評判標準評判標準 試驗結果試驗結果 是否采用是否采用 1、X90 鋼管分析鋼管分析 1#鋼管（碳當量低）鋼管碳當量低于0.52，焊 接 性 優良。鋼管碳當量低、裂紋敏感性低，焊接性優良。采用采用 2#鋼管（碳當量高）鋼管36、碳當量高、焊接性一般。不不采用采用 2、焊接材料焊接材料確定確定 1#焊材（強度級別較低）熔敷金屬抗拉強度大于 690 Mpa，-40沖擊功大于70J，焊接工藝性能優良，全位置性能優良。熔敷金屬性能達標，焊接工藝性能良好，全位置操作性能良好。不采用不采用 2#焊材（強度級別較高）熔敷金屬性能達標，焊接工藝性能優良，全位置操作性能優良。采用采用 3、焊接工藝參數焊接工藝參數優化優化 小電流電壓 一次合格率大于95%，焊縫-10沖擊功大于 85J，缺欠率較低。焊縫沖擊功不達標，缺欠率較高。不采用不采用 大電流電壓 焊縫沖擊功達標，缺欠率較低。采用采用 制表人：夏培培 時間：2015.4.28 X937、0 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 23 4、確定最佳、確定最佳方案的細化方案方案的細化方案 通過以上的各個部分試驗分析和對比后，小組確定了氣保護藥芯焊絲半自動焊最佳方案的細化方案。如圖 8 所示。調調整整電電流流電電壓壓焊焊速速工工藝藝X90鋼管分析鋼管分析焊接材料確定焊接材料確定焊接工藝參數焊接工藝參數化學成分及碳當量分析化學成分及碳當量分析熔敷金屬性能熔敷金屬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預熱溫度及層間溫度預熱溫度及層間溫度保護氣流量保護氣流量焊接速度焊接速度電流電壓電流電壓1#鋼管鋼管1#焊接材料焊接材料大電流電壓大電流電壓2#鋼管鋼管2#焊接材料焊接材料小38、電流電壓小電流電壓1#鋼管鋼管2#鋼管鋼管 圖圖 8 確定最佳確定最佳方案的細化方案圖方案的細化方案圖 制圖人：楊柳青 時間：2015.5.18 X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 24 六六、制定對策、制定對策 最佳方案確定了之后，小組成員按照 5W1H 的原則制訂了以下對策及實施計劃表。見表 16。表表 16 對策及實施計劃表對策及實施計劃表 序號序號 方案方案 對策對策 目標目標 措施措施 地點地點 時間時間 負責人負責人 1 化學成分及碳當量分析、焊接性分析 采用碳當量分析及焊接性試驗分析 X90鋼管 的 可 焊 接性。碳當量 Ceq 低于0.52，并且焊接性較好的鋼管。1.39、化學成分分析測試；2.碳當量分析；3.焊接性試驗分析。油氣管道輸送安全國家工程實驗室 2015 年5 月 20日 楊柳青 2 熔敷金屬及全位置性能分析 采用熔敷金屬檢驗及焊接工藝性能試驗確定焊材。熔敷金屬抗拉強度大于 690Mpa，-40沖擊大于 70J及焊接工藝性能和全位置操作性好的焊材。1.熔敷金屬檢驗；2.焊接工藝性能試驗；3.全 位 置 操 作性。油氣管道輸送安全國家工程實驗室 2015 年6 月 2日 閆臣 3 調整焊接電流電壓 采用大電流電壓參數進行焊接。焊縫沖擊功大于85J，缺欠率低于4%。1.優化焊接工藝參數；2.提高焊縫沖擊功，降低射線檢驗氣孔及夾渣缺陷率。油氣管道輸送安全國40、家工程實驗室 2015 年6 月 10日 楊疊 4 氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝應用 將氣保護藥芯焊絲半自動焊工 藝 應 用 到X90 管道爆破試驗現場。確保 X90 鋼管爆破試驗過程中環焊縫的安全性。1、氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝適應野外焊接操作；2、優化工藝。江 蘇X90鋼管爆破試驗場 2015 年6 月 28日 楊柳青 制表人：楊疊 時間：2015.5.25 X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 25 七七、按對策實施、按對策實施 1、X90 鋼管分析鋼管分析的實施的實施 小組于 2015 年 5 月 10 日-2015 年 5 月 20 日對 X90 鋼管分析步驟進行實施。實施過41、程見圖 9 所示。結論：結論：選定的 X90 鋼管碳當量 Ceq=0.46，插銷試驗臨界斷裂應力為 850-910Mpa，斜 Y 坡口試驗未觀察到明顯的裂紋，物理熱模擬試驗發現鋼管熱影響區淬硬組織較少(馬氏體含量較低)，說明鋼管具有良好的焊接性能，達到預期目標。圖圖 9 X90 鋼管分析鋼管分析實施圖實施圖 制圖人：王世新 時間：2015.5.15 X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 26 2、焊接材料確定焊接材料確定的實施的實施 小組于 2015 年 5 月 30 日-2015 年 6 月 5 日對焊接材料確定步驟進行實施，具體包括熔敷金屬檢驗，焊接工藝性能和全位置操作性測試，試驗42、實施過程如圖 10 所示。圖圖 10 焊接材料確定焊接材料確定的實施的實施圖圖 制圖人：李奕衫 時間：2015.6.7 結論：結論：選定的焊接材料型號為 AWS 5.36 E101T1，熔敷金屬性能：屈服強度：685Mpa，抗拉強度：720Mpa，伸長率：21%，-40沖擊功：93J、95J、89J；焊材電弧穩定性、脫渣性、飛濺率、熔化系數及焊接發塵量等優良，全位置操作性能優良。達到預期目標。3、焊接工藝參數焊接工藝參數優化優化的實施的實施 小組于 2015 年 6 月 10 日-2015 年 6 月 20 日對預熱溫度（層間溫度）+保護氣流量+大電流電壓工藝步驟進行實施。針對 1219X9043、 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 27 16.3mm X90 鋼管，單道口焊接時間為 125 分鐘。實施過程見圖11。20406080100120140160 Ti 75 CVN/J(-10)圖圖 11 焊接工藝參數焊接工藝參數實施實施圖圖 制圖人：李奕衫 時間：2015.6.20 結論：結論：針對 1219 16.3mm X90 鋼管，單道口焊接時間為 125 分鐘，焊接預熱溫度 120，層間溫度 100，保護氣流量 25L/min，干伸 長 20mm，電流：220-230A，電 壓：24V，焊接 速度：15cm/min。焊縫沖擊功平均值 103J，沖擊功離散性小，射線探傷氣孔及夾渣缺44、陷率為 0.3%，達到預期目標。X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 28 4、氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝應用氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝應用 小組于 2015 年 6 月 26 日2016 年 7 月 1 日將氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝應用到 X90 鋼管全尺寸氣壓爆破試驗現場的焊接。由于全尺寸氣壓爆破試驗主要考察 X90 鋼管管體的止裂性能，因此對環焊縫的要求較高，在爆破試驗過程中不能沿著環焊縫開裂。小組頂著巨大的壓力實施了此次焊接任務，并且在最終爆破試驗過程中沒有沿著環焊縫開裂，圓滿完成了此次任務。見圖 12 所示。圖圖 12 X90 鋼管鋼管全尺寸全尺寸氣壓爆破施工現場氣壓爆破施45、工現場 制圖人：楊柳青 時間：2015.7.5 X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 29 八八、效果檢查、效果檢查 氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝研發成功以后，在 2015 年 7 月初成功地應用于石油管工程技術研究院在江蘇東臺進行的 X90 鋼管全尺寸氣壓爆破試驗的現場焊接。焊接施工、無損檢測及爆破后現場分析證明：氣保護藥芯焊絲半自動焊焊口一次合格率達到 98%，焊接接頭質量安全可靠，見圖 13 所示。實踐是檢驗真理的唯一標準，工程實踐證明，在氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝研發的 QC 活動中，圓滿完成活動目標值，即將焊口一次合格率提高到 95%以上，焊縫低溫沖擊韌性在 90J 以上，焊口46、質量穩定可靠。圖圖 13 X90 鋼管全尺寸氣壓爆破鋼管全尺寸氣壓爆破前后現場前后現場 制圖人：隋永莉 時間：2015.7.10 X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 30 經濟和社會效益分析：經濟和社會效益分析：通過對 X90 鋼管全尺寸氣壓爆破試驗的現場焊接施工和無損檢測的經濟效益和社會效益分析：直接經濟效益：X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝在焊接施工過程中，提高了焊接效率，減少了返修率，直接降低了焊接施工中的人工成本和施工成本；社會效益：氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發，不僅提高了國內高強度管線鋼管焊接施工的水平，而且也提高了我國管道建設在國際上的影響力。先后有較多國內外企47、業院所觀摩了 X90 鋼管全尺寸氣壓爆破試驗及焊口的裂紋擴展特征。此外國內外較多從事氣保護藥芯焊絲研發的焊材公司（如 Hobart 焊材集團、伯樂焊材集團、金橋焊材集團和京群焊材集團等）對該工藝表示出了極大的興趣，取得了良好的社會效益。X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 31 九九、標準化、標準化 為鞏固該活動的效果，QC 小組將實施中的有效措施形成了如下工藝評定報告、工藝規程、企業標準、發明專利：1、形成企業標準 1 項X90 鋼級天然氣管道工程線路焊接技術規范；2、焊接工藝規程 2 項爆破試驗用 X90 鋼管焊接工藝規程及管道斷裂韌性試驗場工程焊接工藝規程；3、焊接工藝評定 1 48、項氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝評定。4、申請了發明專利 1 項一種 X90 高強度管線鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝。X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 32 圖圖 14 氣保護藥芯焊絲半自動焊氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝成果工藝成果 制圖人：楊柳青 時間：2015.12.10 X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 33 十十、總結和下一步打算、總結和下一步打算 1、總結、總結 經過全體 QC 小組成員的通力合作和不懈努力，圓滿完成小組活動目標。研發的氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝，首次針對 X90 鋼管，實現鋼管物理熱模擬試驗、X90 級別焊接材料工藝性能研究、氣保護藥芯焊絲半自動49、焊焊接工藝研究及參數優化。在本次活動中，小組成員在研發創新意識、QC 工具的應用、質量意識、團隊精神、解決實際問題的能力都得到了提高。表 17 是活動前后是綜合素質的評分表，圖 15 為自我評價雷達圖。表表 17 自我評價表自我評價表 項項 目目 自我評價自我評價 活動前活動前(分分)活動后活動后(分分)解決問題能力解決問題能力 70 90 團隊精神團隊精神 80 95 個人潛能個人潛能 85 95 QC 工具工具應用應用 70 95 研發研發創新意識創新意識 80 90 質量意識質量意識 70 95 制表人：楊柳青 時間：2015.12.21 X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 350、4 圖圖 15 自我評價雷達圖自我評價雷達圖 制圖人：閆臣 時間：2015.12.10 2、下一步打算、下一步打算 今后，為了進一步推廣氣保護藥芯焊絲焊接工藝及管道施工現場的自動焊技術，結合自動焊焊口合格率低的問題，我們下一步將要開展的 QC 小組活動課題是：提高氣保護藥芯焊絲自動焊焊口合格率提高氣保護藥芯焊絲自動焊焊口合格率 X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 35 附錄附錄 1、小組活動計劃見附表 1。附附表表 1 小組活動計劃表小組活動計劃表 制表人：夏培培 X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 36 2、小組活動出勤情況見附表 2。附附表表 2 小組活動出勤情況小組活51、動出勤情況 制表人：夏培培 X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的研發 37 一、總體評價 該小組為創新型課題，為解決 X90 管線鋼焊接出現焊縫低溫沖擊韌性較差、焊口合格率交底等問題，小組展開 QC 活動，并制定沖擊韌性及焊口一次合格率兩項目標。通過對提出的三種方案逐一試驗驗證，運用統計工具得出較優方案，并對方案進行細化，制定詳實的對策實施計劃，實施過程數據收集充分，最終形成新的工藝，且滿足預先設定的目標要求?；顒幽康男詮?，數據收集完善，統計工具運用合理，圖片使用得當，小組成果最終形成相關的技術規程、工藝評定報告、企業標準、發明專利，形成企業標準 1 項X90 鋼級天然氣管道工程線路焊接技52、術規范；焊接工藝規程 2項爆破試驗用 X90 鋼管焊接工藝規程及管道斷裂韌性試驗場工程焊接工藝規程；焊接工藝評定 1 項氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝評定；申請了發明專利一種 X90 高強度管線鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝。并且取得了良好的經濟效益和社會效益。二、不足之處 1.缺少工程概況，目的是為了了解課題的重要性和了解課題的難點和特點；應詳細介紹新一代X90 管線鋼管選用氣保護藥芯焊絲進行管道全位置半自動焊的技術，用圖和照片表示；該成果技術含量較高，文字描述較多，介紹課題應淺顯易懂；2.應介紹 X90 鋼管氣保護藥芯焊絲半自動焊工藝的流程；在實施過程中重點描述形成企業標準和發明專利相關內容；3.自我評價雷達圖的制定時間 2015/12/10,雷達圖自我評級調查表 2015/12/21 制定，時間有誤。