直缝不锈钢焊管预焊缺陷对埋弧焊质量的影响及控制

简述了直缝埋弧不锈钢焊管机组中五组压辊式预焊机的工艺过程及特点,介绍了预焊作业中常见的气孔、夹渣、烧穿、错边、焊偏等缺陷。分析了焊接缺陷对埋弧焊质量的影响。通过对影响预焊质量因素的分析,提出了预焊质量控制措施。

现代直缝埋弧焊钢管(UOE,JCOE)的制造工艺中,均设置连续预焊工序。其作用是对成形后的管坯进行定型、成形缝定位和内焊封底,以保证钢管外形尺寸和有利于管内焊接,从而提高不锈钢焊管质量和生产效率。但在预焊作业过程中,因各种因素的影响,有时不可避免地会产生焊接缺陷。这些缺陷往往又直接导致钢管内外埋弧焊缺陷的产生,因而提高直缝埋弧不锈钢焊管质量必须控制好预焊质量。

1预焊工艺过程及特点

1.1预焊工艺过程

图1为五组压辊式预焊机示意图。成形后的管坯经输送辊道运送到预焊机的焊机下,升起旋转辊,旋转调整开口位置至焊点处(12点钟位置),顶压两侧压辊和上压辊使管坯合缝,下落焊机对缝和调整跟踪焊缝,打开保护气体和冷却水,起动焊接,焊接状态监控,焊至管终端熄弧停焊(自动延迟停气),抬起焊机和顶压辊,钢管送出预焊机,管端和缺陷补焊。

1.2预焊工艺特点

预焊采用A r+CO2混合气体保护焊,在合缝后以较快速度移动的管坯上进行连续焊接。由于坡口角度、管坯形状、开口沿管坯长度方向扭曲及两侧板边不平等因素的影响,合缝后的成形缝质量不太稳定,变化较大。焊接时需要对管坯合缝变化、电弧的稳定状态、焊缝位置的偏离等情况进行实时跟踪和相应调整。因而预焊具有焊接速度快、影响合缝质量因素多、变化和调整随机性强等特点。

2预焊常见缺陷及对埋弧焊质量的影响

2.1预焊常见缺陷

由于预焊自身的特点,在作业时常常会产生背面焊瘤、烧穿、错边、焊偏、断焊(断弧)、焊缝余高过低或过高、气孔及夹渣等缺陷。其中烧穿、断焊(断弧)较容易被发现,及时采取补焊修复,一般不会对内外焊质量产生较大影响。

2预焊缺陷对内外埋弧焊质量的影响

(1)背面焊瘤背面焊瘤对内焊缝质量、跟踪及焊接过程的稳定性将产生较大的影响。内焊的焊机头部一般装有导向轮,以稳定焊头和导向跟踪。当导向轮在坡口内遇到焊瘤时,焊头将突然升高,焊丝空间位置(焊丝伸出长度和间距)和电弧长度将发生急剧变化,这将导致焊缝产生夹渣、未焊透、焊缝外表面成形不良等缺陷。同时导向轮也容易偏离坡口中心,使焊缝焊偏。当电弧燃烧至焊瘤处时,电弧将突然变短,甚至发生短路熄弧,影响正常焊接。由此可见,一处焊瘤往往可能导致两处内焊缺陷。

(2)错边错边对内外焊缝的熔深和断面几何形状将产生不利的影响,错边超差将直接导致不锈钢焊管降级或报废。

(3)焊偏、焊缝余高过低或过高焊偏、焊缝余高过低是内焊产生烧穿、裂纹等缺陷的主要因素。焊偏和余高过低实质上是封底焊缝厚度减小或无封底焊缝(严重焊偏时),同时也将引起成形缝的拘束强度降低,因而内焊时很容易产生烧穿和裂纹缺陷。焊缝余高过高将引起外焊熔深减小和焊缝超高。

(4)气孔、夹渣预焊缝的气孔、夹渣是引起内外埋弧焊产生气孔和夹渣缺陷的主要原因之一。预焊缝气孔大多数分布于焊缝内部,即内气孔(少数气孔为表面气孔)。夹渣一般存在于手工补焊焊缝根部。内焊时,电弧可使焊缝根部和下部的预焊缝气孔、夹渣熔化或部分熔化掉(见图2)。由于被熔化的气孔、夹渣在内焊缝根部,其气体和非金属夹渣物逸出焊缝表面的距离相对较远,需要的时间也相对较长,而且内焊的热输入一般较小,液态熔池金属在高温停留时间也较短,加之外界因素的影响(焊接规范不稳定、焊臂抖动、管内不平等),很容易使气体或非金属夹渣物被“围困”在焊缝金属中,形成焊缝近表面气孔或夹渣缺陷。这也揭示了在实际生产中,内焊缝点状缺陷(气孔、夹渣)较多,且绝大部分分布于焊缝近表面的原因。

未被内焊熔化的气孔、夹渣,一般在外焊缝中部或下部(见图3),与焊缝表面相对较近。而且外焊热输入较大,液态熔池金属在高温停留时间较长,气体和非金属夹渣物容易逸出。因而外焊缝较少产生气孔和夹渣缺陷。

3影响预焊质量因素及控制措施

在直缝埋弧不锈钢焊管制造过程中,影响预焊质量的因素有坡口、管形、焊接区清洁程度、焊接材料、焊接工艺、补焊工艺方法、操作技能等。

3.1坡口

坡口中的钝边角度(钝边应与焊缝中心线平行,见图4(a))、钝边厚度等尺寸选择不合理,对合缝质量、焊缝成形及焊接过程的稳定性将产生不利的影响。钝边角度过大,合缝后成形缝将形成“内喇叭口”(见图4(b)),预焊时容易产生焊瘤和烧穿;钝边角度过小(负角度时),成形缝将形成“外喇叭口”(见图4(c)),使焊缝余高降低,甚至产生未填满的缺陷(焊缝过低)。外喇叭口过大,会引起电弧燃烧不稳定,产生“放炮”现象(焊丝短路爆断),影响焊接过程正常进行。钝边厚度过小也易产生烧穿缺陷。因而在直缝不锈钢焊管制造中,应根据管径、壁厚、成形方式等不同工艺条件,选择合理的坡口尺寸,并应控制好尺寸精度。预焊作业中若产生烧穿、焊缝余高过低、焊瘤等质量缺陷应及时进行修补和清除。

3.2管形

成形后的管坯形状对预焊合缝质量将产生重要的影响。图5为常见的三种不良管形。图5(a)为板边弯曲变形过量,管形的开口两板边内凹,合缝后将形成“内喇叭口”成形缝(见图4(b))。预焊时容易产生焊瘤和烧穿;图5(b)为板边弯曲变形过小,管形的开口两板边外翘,合缝后形成“外喇叭口”成形缝(见图4(c)),即所谓的外“噘嘴”成形缝。这将导致预焊余高过低和电弧燃烧不稳定。图5(c)为两侧板边弯曲变形不一致,管坯的两板边不平行,合缝时容易产生错边。此外,管坯开口量过大或过小,两侧板边沿长度方向高低不平等,均容易造成焊缝错边缺陷。因而控制良好的管坯形状是提高预焊质量的重要措施。

控制管坯形状最重要的是:选择适宜的预弯压模或旋弯芯轴直径（旋压式JCO成型法），使两板边弯曲变形的弧度相等，而且与理想圆弧基本一致。其次是在成形过程中沿圆周方向均匀且有足够量的弯曲变形，以使管坯有良好形状和适宜的开口量。良好的管坯形状应该是：接近理想的圆，两侧板边平行，沿长度方向平直，开口量30～120mm。

3.3焊接区的清理

焊接区的油污、铁锈、氧化铁等污物是产生焊缝气孔的主要原因之一，因而在预焊之前应彻底清除干净。

3.4焊接材料

（1）保护气体预焊保护气体纯度对焊接质量有较大的影响。若气体纯度不高，含水份较多，焊缝容易产生气孔缺陷。预焊使用的保护气体纯度一般要求为：Ar≥997%，CO2≥995%[]。而且CO2气瓶在使用前应倒置一段时间（1~2h）后进行放水。然后正放一段时间再将气瓶上部水份较多的气体放掉。此外，在气路系统中可串联干燥器或预热器[2]，进一步去除水份，防止气孔的产生。

（2）焊丝预焊采用Ar+CO2混合气体保护焊，电弧仍然有较强的氧化性，容易使焊缝增氧和合金元素烧损。若焊丝中没有足够数量的脱氧元素（Mn，Si等），焊接时会增加产生气孔倾向。因而在焊接一般低碳钢或低合金钢时，可选用含Mn，Si等脱氧元素较高的焊丝。如H08MnSA，HO8Mn2SA等。但是，电弧的氧化性，随着A气混合比的增加而降低。管线钢一般含碳量较低，低温冲击韧性较高。焊接这类钢时，可以选择与母材成分相近、强度相等的焊丝，并适当提高Ar气的混合比例，也可获得良好的焊接质量。如X60级管线钢管，笔者采用H08C，3.2mm焊丝，匹配65%Ar+35%CO2混合保护气体进行预焊，焊缝质量良好，各项力学性能均满足标准要求。

3.5焊接工艺参数

预焊工艺参数主要有：焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊丝直径、焊丝伸出长度、焊丝倾斜角度、保护气体混合比、气体流量等。焊接工艺参数选择不当容易造成焊缝产生各种焊接缺陷，甚至影响焊接过程的正常进行。因而预焊工艺参数，一般是通过焊接工艺试验确定，并编制成工艺文件进行控制。需要说明的是，预焊作业中，应及时清理黏附在喷嘴上的飞溅，防止喷嘴堵塞，影响气流对熔池的保护而导致焊缝气孔缺陷的产生。

3.6操作技能

预焊质量在很大程度上取决于操作者的实际操作技能。例如：合缝的调整、错边的调整、跟踪调整及焊接过程中的监控及调整等，主要由人工操作完成。为了减少或避免人的操作因素对质量造成的不利影响，对操作者应进行培训，并加以考核，合格后方可上岗。

3.7管端处理及缺陷的补焊

钢管两端的预焊盲区及烧穿、断焊(断弧)、焊偏、余高低等缺陷部位需进行手工补焊。补焊焊缝一般容易产生气孔、夹渣缺陷。而且焊缝表面质量和外形尺寸也与自动焊缝相差较大。特别是采用手工电弧焊时更为严重,因而预焊的补焊应采用手动CO2气体保护焊,并对焊接材料,工艺参数、补焊方法等进行工艺控制,以获得与自动焊缝基本一致的质量。

3.8埋弧焊工艺

上述工序质量控制主要是预防预焊产生缺陷,但在实际生产中,预焊仍然会有少量的气孔、夹渣等缺陷存在,这就需要通过适当的调整埋弧焊工艺来消除对其产生的影响。

根据预焊缝气孔、夹渣在内外焊缝中分布的特点,内焊工艺应在线能量不变的情况下,采用稍慢的焊速焊接,以延长熔池高温停留时间;外焊应采用较大的线能量,以增大焊缝熔深和熔池温度,利于气孔、夹渣的熔化和逸出。从而消除预焊气孔、夹渣对埋弧焊质量的影响。

4结语

直缝钢管预焊缺陷将直接影响内外埋弧焊的质量。通过对坡口角度和尺寸、管坯形状、焊接区清洁度、焊接材料、焊接工艺参数、操作方法、补焊等各道工序的质量控制,可有效地减少预焊缺陷的产生。同时通过选择合理的内外埋弧焊工艺,可消除预焊缝内部的气孔、夹渣对埋弧焊质量的影响,提高钢管的焊接质量。