预精焊螺旋缝焊管管端缺陷的分析与解决

简述了螺旋缝焊管预精焊工艺流程，通过对钢管管端缺陷的统计分析，对最严重的管端缺陷—一管端气孔进行定性分析，总结出提高预精焊螺旋缝焊管管端质量的措施。实践证明：通过保证管端预焊焊缝外观质量、修磨引熄弧板对接处焊缝、清除杂质等措施，使管端气孔得到明显改善，提高了预精焊螺旋缝焊管管端质量。

预精焊工艺技术（也称“两步法”）是目前世界上螺旋缝埋弧焊管最先进的制管工艺技术，该技术有效解决了成型与焊接之间的相互干扰问题，充分发挥了成型和焊接的各自优势，实现了高速成型和低速焊接的有机结合，极大地提高了生产线的产量和产品质量，有效降低了生产成本。山东胜利钢管有限公司预精焊分厂自2011年建成投产以来，已多次进行螺旋缝焊管预精焊生产，但在生产过程中发现，焊管管端缺陷较为严重，对焊管一次合格率及焊管质量影响很大，而且造成不必要的材料损耗。本文对预精焊螺旋缝焊管管端缺陷进行统计分析，提出提高预精焊螺旋缝焊管管端质量的一些措施。

1预精焊工艺流程

预精焊生产的工艺流程：原材料进厂检验→投料检验→拆卷、对头焊→板材超声波自动探伤→铣边→焊管成型→成型检验→预焊一切管→内清扫→预焊缝检查与修补→焊接引熄弧板→精焊焊接。

2钢管管端缺陷统计

在预精焊生产1016.0mm×15.9mm、813.0mm×12.5mm、813.0mmx14.2mm焊管过程中，通过整理X射线检验数据，统计一段时间内焊管出现管端缺陷的根数，并计算其占不合格焊管总根数的比例，结果见表1。

从表1可以看出：焊管管端缺陷严重影响了焊管质量及其合格率，管端缺陷主要包括烧穿、气孔、未焊透、夹渣、焊偏等；在3种规格出现管端缺陷的焊管中，管端气孔所占比例分别为56.7%、59.0%、62.5%，与其他管端缺陷相比，管端气孔是最严重的管端缺陷。因此，解决管端气孔问题是提高预精焊螺旋缝焊管管端质量的关键。

3管端气孔定性分析

3.1焊接气孔的类型及来源

焊接气孔按其存在位置分为内部气孔和表面气孔问，按形成气体的成分分为H气孔、N气孔、CO气孔。H气孔大多数出现在焊缝表面，个别情况下出现在焊缝内部，气孔断面呈螺旋状，内壁光滑，在焊缝表面呈喇叭状开口；N气孔多在焊缝表面，多数情况下成堆出现；CO气孔通常出现在焊缝的根部或近表面的部位，且多呈针尖状。焊接气孔的来源有：①高温时某些气体溶解于熔池金属中，当凝固和相变时，气体的溶解度降低而来不及逸出，残留在焊缝内部的气体，如H2和N2；②由于冶金反应产生的不溶于金属的气体，如Co和H2O。

3.2管端气孔分析

预精焊生产过程中，预焊常见的气孔是N气孔和H气孔。预焊采用的是CO2气体保护焊，一旦保护气层遭到破坏，大量空气进入焊接区，在电弧高温下，熔池金属对N有很大的溶解度。但当熔池温度下降时，N在熔池金属中的溶解度迅速减小，就会析出大量N，若未能逸出熔池，便生成N气孔，如图1所示。

氢来源于工件、焊丝表面的油污及铁锈，以及Co2气体中所含的水分。油污为碳氢化合物，铁锈是含结晶水的氧化铁。它们在电弧的高温下都能分解出H2。H2在电弧中会被进一步电离，然后以离子形态很容易溶入熔池。熔池结晶时，由于H的溶解度陡然下降，析出的H2若不能逸出熔池，则在焊缝金属中形成圆球形的气孔。精焊采用的是埋弧焊，焊剂经过烘干处理，钢板在焊前都要求铣边开坡口，因此钢板上的铁锈（含结晶水）对其影响很小。

在焊接过程中，当焊丝金属中含脱氧元素不足时，就会有较多的C溶于熔池金属中，熔池中的C与FeO反应生成CO，当熔池金属凝固过快时，生成的CO来不及逸出，从而形成CO气孔。发生的冶金反应如下：

[C]+[o]=CO

[FeO]+[C]=CO+Fe

[MnO]+[C]=CO+Mn

[SiO2]+2[C]=2CO+Si

精焊管端气孔产生于焊缝内部，探伤拍片可以看出气孔是单个出现；根据气孔的形态、位置及产生的条件分析可知，精焊管端气孔是CO气孔。

3.3管端气孔产生的原因

影响CO气孔产生的两个主要因素是：焊丝中脱氧元素Si、Mn含量和钢板表面的氧化铁（主要是FesO4，还有少量的Fe2O）。经过检验，焊丝中Si、Mn含量均在规定范围之内，而且在生产过程中，只有管端出现CO气孔；因此，焊丝中脱氧元素Si、Mn含量并不是主要影响因素。

根据预精焊生产流程，精焊前工序为内清扫，预焊缝检查与修补，焊接引熄弧板。通过跟踪以上流程，发现如下问题：①预焊产生的表面气孔、烧穿等缺陷未及时进行修磨和修补，如图2所示；②钢管端部内焊缝与熄弧板连接处堆积大量氧化铁铁末，如图3所示；③钢管管端与引熄弧板连接处，氧化铁铁皮未处理干净，如图3所示。

由于钢管内焊缝堆积大量的氧化铁末，在焊接时主要是熔池中的FeO和C发生上述的还原反应，该反应在熔池处于结晶温度时，进行得比较剧烈，由于这时熔池已开始凝固，CO不易逸出，于是在焊缝中形成CO气孔。

4管端气孔的解决措施

根据对管端CO气孔产生原因的分析，结合预精焊的生产工艺流程，提出以下解决措施：

①保证钢管管端预焊焊缝外观质量，修磨或修补断弧、烧穿、表面气孔、焊瘤等缺陷；②清除引熄弧板端面上的氧化铁等杂物和污物；③清除管端预焊缝坡口、母材表面和钢管端面上的飞溅物、氧化铁皮、铁屑及灰尘等杂质；④引熄弧板焊接完成后，修磨引熄弧板对接处内外焊缝，使其与钢管焊缝过渡均匀圆滑，并清除对接时产生的飞溅物、氧化铁皮、铁屑及灰尘等杂质；⑤钢管内表面经风机除尘后，清除管端与引熄弧板对接形成的凹槽处积攒的铁屑、灰尘等杂质。

采取以上工艺措施后，在预精焊机组生产813.0mm×12.5mm焊管过程中，统计了一段时间内焊管管端出现各缺陷的支数，发现出现烧穿10支、气孔22支、未焊透48支、夹渣18支、焊偏22支，共120支。由此可见：管端气孔所占比例为18.3%；与采取预防措施前相比，管端气孔问题得到了明显改善。

5结语

焊管管端缺陷直接影响焊管一次合格率及焊管的整体质量，通过采取以上的工艺措施，使焊管的管端气孔得到了有效的解决，从而提高了螺旋缝焊管的整体质量，为生产的顺利进行提供了保障。