李忠 孙兆荣 隋永莉

1.概述

自保护药芯焊丝半自动焊工艺抗风能力极强，焊接时不需要保护气体，由送丝机构连续送丝，焊工采用手持半自动焊枪施焊。这种焊接方法的设备投资不大，利用率高，投资回收期短，并且在焊接质量、生产效率、降低焊材消耗及节约能源等方面具有明显经济效益，非常符合我国的低成本焊接自动化理念。

我国最早的自保护药芯焊丝半自动焊应用记录，是1995年中石油承建的突尼斯天然气管道工程和1996年库鄯线输油管道工程，分别焊接了6.2km和250km。1999年中石油承建的苏丹输油管道工程和兰成渝成品油管道工程、涩宁兰输气管道工程建设期间，自保护药芯焊丝半自动焊的应用范围开始逐渐扩大。近十五年，采用自保护药芯焊丝半自动焊工艺累计完成的管道长度可达我国管道建设总里程的90%以上。

自保护药芯焊丝半自动焊应用的早期，焊接的母材多为X52、X60、X65这些正火状态交货的管线钢管。随着我国管道建设用钢管的强度等级、管径、壁厚和输送压力的提高，应用的管线钢管多为形变热处理交货状态，合金含量较高，如X65、X70、X80。

2.自保护药芯焊丝半自动焊的应用现状

（1）焊接材料 自保护药芯焊丝的单面焊双面成形质量较差，一般不用于根焊缝的焊接，在我国多用于管道环焊缝热焊、填充焊和盖面焊。自保护药芯焊丝半自动焊常用焊接材料如表1所示。

（2）焊接设备 自保护药芯焊丝半自动焊工艺用焊接设备主要包括根焊设备和填充、盖面焊设备。根焊设备主要依据采用的焊接材料选择纤维素焊条用焊接电源、钨极氩弧焊电源、STT电源或RMD电源等。填充、盖面焊设备主要有晶闸管型直流电源、IGBT逆变电源等，重点是选择相匹配的送丝机。根据焊接工艺的不同，所使用的焊接设备也具有不同的工艺特点和设备特性（见表2）。

总之，低氢型焊条和钨极氩弧焊这两种焊接方法对焊接设备的要求比较简单，通用的焊接电源即可满足要求。纤维素焊条对焊接设备的要求比较高，在2000年以前该类逆变焊接电源曾经是焊机制造业的一大挑战，近年来已完全实现国产化，且实际应用效果良好。自保护药芯焊丝半自动焊设备则更注重焊接过程中送丝平稳和焊接电弧稳定。

表1 自保护药芯焊丝半自动焊工艺的常用焊接材料

（3）焊接工艺 自保护药芯焊丝半自动焊工艺常用的焊接坡口形式如附图所示。一般情况下，壁厚≤15mm时，采用坡口形式如附图a所示；壁厚≤22mm时，采用坡口形式如附图b所示；壁厚＞22mm时，采用坡口形式如附图c所示。这些坡口一般在钢管制造过程中预制加工好。

自保护药芯焊丝半自动焊为下向焊工艺，焊接热输入约为2.2k J/m m，焊丝接电源负极。其适应的钢管管径范围≥323.9mm，若管径过小则因操作角度连续变化而使焊接难度增加。适应的壁厚范围＞6mm，若壁厚过小易发生烧穿。焊接环境风速宜≤8m/s，主要焊接缺陷为夹渣和气孔。X52、X60和X65钢管的焊接能实现焊接接头的高强匹配，X70和X80钢管的焊接为等强或稍低强匹配。技术熟练的焊接机组一次焊接合格率可达90%。自保护药芯焊丝半自动焊常用的焊接参数如表3所示。

3.自保护药芯焊丝半自动焊应用存在的问题

（1）焊丝保管和使用条件要求较为严格 我国目前应用的自保护药芯焊丝多为有缝焊丝，在高温潮湿的环境下容易发生粉剂吸潮、焊丝表面锈蚀等现象。焊丝受潮后，不能烘干，只能废弃不用。若采用受潮后的焊丝进行焊接作业，焊接工艺性能会变差，焊缝金属中扩散氢含量将大大增加，导致产生气孔、氢白点、氢脆、冷裂纹的概率增加。因此，自保护药芯焊丝的保管和使用应严格遵守相关标准和管理规定的要求。尤其是高温潮湿的环境下，最好采用真空包装的方法，并注意保持库房的干燥和通风。焊接施工过程中，做到焊接材料随用随取，缩短拆包装后的焊材在湿度较大环境中的存放时间。

表2 半自动焊工艺常用焊接设备的工艺特点和设备特性

表3 自保护药芯焊丝半自动焊的焊接参数

坡口形式

（2）焊接烟尘大 众所周知，自保护药芯焊丝的焊接烟尘量相对较大。在密闭、狭窄的操作空间，影响作业人员的身心健康。各种焊接工艺及焊接材料烟尘产生量如表4所示。

（3）焊缝金属中氢白点 为保证焊接工艺性能，自保护药芯焊丝的粉剂需要具有一定的含水量，特别是焊丝的表面需要涂一层润滑剂来防锈和保证送丝顺畅，因此其焊缝金属的扩散氢含量不可能控制得很低，一般为6～12mL/100g，高于低氢型焊条和实芯焊丝的扩散氢含量。

另外，自保护药芯焊丝在粉剂中加入了氟化物和铝等易蒸发和脱氧固氮的物质，在焊丝熔化时能产生大量气体，再加之熔渣的保护作用，从而防止了空气中氮侵入电弧区及熔池，降低了焊缝金属气孔敏感性。但大量残留的脱氧剂则以AlN、Al2O3等夹杂物的形式存在于焊缝金属中。这些微观缺陷在焊缝金属承受很大的轴向应力时成为焊缝金属中残余氢的聚集地，易形成氢白点，其在横断面上看是小白点，在纵断面上看则是微裂纹，即氢致应力开裂。

如果完成的焊接接头立即承受很大的轴向应力并在焊缝金属处发生断裂，则很容易在断面发现氢白点。若焊接接头在常温条件下放置40天以上，焊缝金属中的氢就会逐渐逸出，并降低至接近于平衡值的水平，此时再承受很大的轴向应力，焊缝金属断面上的氢白点会大大减小或消失。

（4）焊接材料型号相对较少 目前在我国大范围应用的自保护药芯焊丝只有两种型号，分别为AWS A5.29标准的E71T8和E81T8。对于X70及以下强度级别的管线钢管使用E71T8，X80钢管使用E81T8。这样，B、X42、X52、X60等钢管形成的焊接接头为高强匹配，X65、X70、X80钢管形成的焊接接头为等强匹配或稍低强匹配。

近年来X80和X70等高强度管道建设过程中，在一些管道通过的特殊地质段，如地震断裂带、沉陷区等，通常会要求焊接接头高强匹配。因局限于可选择的自保护药芯焊丝抗拉强度均不足，故实际应用中采用了增加焊缝宽度和余高的方法来实现焊接接头的整体强度高于母材。但焊缝宽度和余高的增加给后续的环焊缝防腐补口质量稳定性的控制带来了难度。

表4 各种焊接工艺及焊接材料烟尘产生量

（5）焊缝金属韧性离散 随着管道建设用钢管强度等级的逐步提高，自保护药芯焊丝的焊缝金属夏比V型缺口低温冲击韧性离散的现象也越来越显著，并逐渐成为制约环焊缝焊接的瓶颈。

4.自保护药芯焊丝半自动焊的应用前景

近期内，自保护药芯焊丝半自动焊工艺仍将是我国管道建设的主要焊接方法，尤其是在山区、水网等地理环境复杂地区，自保护药芯焊丝的应用将保持着很大的优势。但随着管道建设用钢管强度等级的逐步提高，自保护药芯焊丝的技术研发工作需要持续进步，与钢管的冶金成分相结合，优化药芯焊丝制造工艺，力求解决其在应用中存在的问题，尤其是焊缝金属韧性离散、氢白点、焊材型号少等关键技术，确保焊缝金属性能满足管道工程建设的要求。

我国管道建设用钢管的管径、壁厚及输送压力都在逐步提高，为提高焊接效率、降低劳动强度，未来的管道建设过程中，在地势平坦的新疆、甘肃、内蒙等地区将会逐渐采用自动焊方法来替代自保护药芯焊丝半自动焊。20140218