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管道施工中焊接缺陷的产生及预防

北京华夏石化工程监理有限公司 范江海

根据中海油广东惠州炼油项目工程施工监理中的具体情况, 结合多年的施工管理经验, 认为有必要研究如何防止焊接缺陷的产生, 以便为提高管道焊接工程质量打下良好的基础。
焊接施工时,焊条、 焊丝的选择、 使用方法、 焊接条件和施工管理等任何一个方面的失误, 都可导致”焊接缺陷”的产生。而一项不当的焊接工艺及不适当的焊接参数的选择更是造成焊接缺陷的主要原因。焊接缺陷大致可分为内部缺陷和外部缺陷两类。内部缺陷主要指气孔、 未焊透, 裂缝, 未熔合及夹渣等。外部缺陷是指表面裂纹, 表面气孔, 凹坑, 焊瘤和咬边等形状缺陷, 以及热变形, 错边或角焊缝的焊脚尺寸不足等尺寸上的缺陷。
一、 夹渣
夹渣分单个的与条状的两类。有的外形不规则, 也有的呈球状。她们都是焊缝金属中残留的外来固体物质。用药芯焊丝焊接时会产生一层溶渣覆盖于焊缝表面, 当溶渣在熔融的焊缝金属中来不及浮出表面而停留在金属内时, 就形成夹渣。这些夹渣削弱了焊缝, 而且可能成为一种裂纹源。她们可由下列因素造成:
1． 前层的焊道清渣不干净;
2． 不稳定的运条速度;
3． 不适当的焊丝角度, 使熔渣流到电弧前面;
4． 摆动幅度太宽;
5． 运条速度太慢, 使熔池处在电弧前面;
6． 电流控制得太低
采用下面措施能够避免:
1． 仔细清理前一焊道的熔渣, 特别是沿焊道的两侧;
2． 采用均匀的运条速度;
3． 增加焊炬的倾斜角, 避免熔渣流到电弧前面;
4． 使用较窄的摆幅;
5． 提高运条速度, 以便使电弧位于熔池的前面;
6． 提高电流设定值。
二、 气孔
气孔是在焊缝金属中的一种充满气体( H2, N2, CO) 的空穴。气孔一般呈圆形或椭圆形, 内壁洁净光滑。她们能够密集的分布在焊缝的某一部位, 也能够沿着焊缝的全长分布。气孔减小了焊缝横截面, 使其受到削弱。气孔能够在焊缝内部, 也能够穿透到焊缝表面, 或者两种都有。也有的表现为焊缝表面的凹坑或长条状气沟。当从凹坑部分释放出来的气体, 受到半熔融熔渣的抑制, 被封闭与熔渣与熔融金属间, 造成熔融金属的下凹, 当金属凝固时, 即成气沟。如图2-1
气孔可由下列一个或多个因素造成:
( a) ( b)

( c)

图2-1气孔, 凹坑, 气沟一例

1、 用于保护电弧及熔池的保护气体流量不够;
2、 保护气体流量过大,将空气卷入,或风速大造成保护气体的覆盖偏转,导致保护不良;
3、 保护气体混有杂质或受潮;
4、 焊接电流过大,或电弧电压过太高;
5、 焊丝干伸长度过长;
6、 过快的运条速度,导致气体还没逸出之前,焊接熔池以凝固;
7、 母材或焊丝表面有锈,油脂,湿气或脏物;
8、 母材中的杂质,如钢中的S含量过高,
根据上列原因,可采用下列相应措施,以消除气孔的产生.
1. 增加保护气体流量,在无风时,流量为20-25L/Min;
2. 采取防风措施,防止穿堂风.在室外焊接,气体保护焊时当风速超过2m/s 时,要设置防风措施;
3. 增加去除气体中湿气的装置, 及保证气体纯度;
4. 调整至合适的焊接电流或电弧电压,或调整送丝速度;
5. 缩短干身长度或调整焊炬角度,清理喷嘴内附着的飞溅物,改进气体保护;
6. 减慢运条速度;
7. 清理母材或焊丝表面;
三.裂纹
对焊接接头质量影响最大的是裂纹,裂纹的产生能够由不适当的焊接工艺、 焊工技术或材料所致。按照裂纹发生的时间可划分为冷裂纹与热裂纹两种, 这些裂纹能够垂直或平行于焊缝。横向裂纹垂直于焊缝轴线, 是纵向收缩应力作用所引起的; 纵向裂纹常常发生于高的接头拘束及高的冷却速度条件下, 预热往往能够减少这些裂纹的发生。
1. 热裂纹
热裂纹又称”结晶裂纹”, 当焊缝金属凝固时, 如果在枝晶间存在富集杂质元素的低熔点相薄膜, 在焊接应力的作用下就会产生热裂纹。硫和磷是最易形成低熔点相的元素, 它们的作用也会因含炭量的增加而提高。
按热裂纹的形态, 可分为”纵向裂纹”、 ”横向裂纹”、 ”弧坑裂纹”, ”热影响区( HAZ) 液化裂纹”等。
热裂纹发生在凝固温度至Ar3以上温度, 其微观特征为沿晶界分布。这类裂纹常常因为母材中含S、 P含量过高, 也可能因为不适当的收弧方法所致。热裂纹也常常发生在熔深较深的焊缝中( 即焊道的深宽比超过1.2) , 这在”梨形”焊缝中多有发现。热裂纹可由下列措施加以避免或减少到最少程度。
（1） 采取预热, 以降低收缩应力;
（2） 使用清洁的或未被污染的保护气体;
（3） 增加焊道的横截面;
（4） 调节焊接规范, 更改焊道的外形轮廓, 即控制焊道的深宽比不超过1.2;
（5） 采用杂质元素含量很低的母材;
（6） 使用含Mn量高的焊丝, 提高焊丝的Mn/S之比。
弧坑裂纹是深度很浅的热裂纹, 她们往往是因不适当的收弧方法所引起。为了避免弧坑裂纹, 能够采取返回移动焊丝, 或在断弧前停止运条, 将电弧间断停止几次, 使弧坑填满。
2、 冷裂纹
冷裂纹形成于Ar3温度以下, 一般在马氏体转变温度区间( 约200～300℃以下) 有的焊后立即出现, 有的经几小时乃至几天后才出现, 故亦称延迟裂纹。其微观特征是穿晶断裂, 继续延伸。促成冷裂纹的主要因素有三个方面, 即钢种的淬硬倾向、 氢的作用和焊接接头的拘束应力。焊前预热, 使用干燥的、 高纯的保护气体及适当的清理工序都有助于防止这类缺陷的产生。使用药芯焊丝一般比实芯焊丝产生冷裂纹要少, 这是因为药芯焊丝气保护焊的线能量高, 提供了更多的预热效应, 也有助于减少因过快的冷却速度而产生淬硬组织等。冷裂纹可产生在焊缝、 热影响区, 也可能扩展到母材之中。
焊缝中的冷裂纹能够由下述一个或多个因素造成:
（1） 相比于母材的厚度, 焊道的横截面太小;
（2） 不良的装配, 如间隙过大, 错边等;
（3） 高的接头拘束;
（4） 弧坑裂纹的延伸。
避免焊缝中冷裂纹的最好方法是:
（1） 要选用合适的焊接线能量, 增加焊道的横截面尺寸;
（2） 降低间隙宽度;
（3） 预热, 必要时可采用后热或缓冷措施, 以降低冷却速度;
（4） 填满弧坑;
（5） 选用扩散氢含量少的焊丝及按焊条说明书要求烘干焊条;
（6） 避免强力组对焊口
四、 未熔合和未焊透
未熔合发生在焊道之间或焊道与母材之间, 一般是因为被焊部位未能完全熔化结合或液态金属流动不充分所造成的。这种缺陷的另一种形式是根据未熔合, 即未焊透, 其起因可与未熔合相同, 也可能是由于电流太小或焊接热输入不够所导致。坡口设计不当, 焊接工艺或操作不当等也能导致未焊透。图4-1
药芯焊丝的熔深比实芯焊丝稍浅, 且焊丝熔融量大, 熔融金属容易流淌到电弧前面, 因此, 当操作不当时, 药芯焊丝容易形成未熔合或未焊透缺陷。当采用摆动焊接工艺时, 若两侧停留时间不足, 容易产生未熔合。在多层焊时, 也常常容易出现未熔合, 特别是当上一道焊道过分突起时。因此, 如果上一道焊道过分突起, 则必须用砂轮打磨或在突起外减慢焊速, 适当增加在焊道两侧的停留时间, 以便充分熔化。
产生未熔合的原因, 可能有下面几种:
1、 焊接规范不合适, 电流太小或电弧电压太高, 使电弧吹力过小, 熔深不够。
2、 运条速度不当, 过快则易使熔融金属跟不上, 过慢则易使熔融金属往前淌, 减小熔深;
3、 焊炬角度不合适, 焊丝未对准, 不能保证充分熔透;
4、 坡口宽, 摆动弧度过大, 两侧停留时间不够;
5、 坡口角度狭小, 不能充分熔透;
6、 坡口内焊道突起过高, 特别是坡口底部的焊道。

图4-1未熔合和未焊透一例

相应的防止方法是:
1、 选择合适的电流、 电压及焊接速度, 以保证有足够的熔深;
2、 焊炬要尽量垂直坡口面, 焊丝要对准前层焊道的缝边;
3、 不要摆动过宽, 在两侧要充分停留;
4.、 调整坡口角度, 钝边大小、 根部间隙;
5、 用砂轮等工具打磨掉焊道过高凸起部分。
五、 咬边和焊瘤
当焊接条件选择不当, 或操作手法不合适, 就可能造成咬边或焊瘤。一般讲, 焊接速度过快, 容易产生咬边。当焊接速度过慢, 容易产生焊瘤。图5-1
这种缺陷的防止, 要调整焊接电流和焊接速度, 在平角焊时, 喷嘴角度及焊丝对准的位置很重要。咬边和焊瘤的产生原因及防止方法分别示于表5-1、 5-2。

图5-1 咬边和焊瘤示意图

表5-1咬边产生的原因和防止方法

表5-2焊瘤产生的原因和防止方法

六、 钨极氩弧焊焊接缺陷及预防措施
钨极氩弧焊产生的工艺缺陷如; 咬边、 烧穿, 未焊透、 表面成型不好等, 同一般电弧焊方法相似, 产生的原因大致相同。而特有的工艺缺陷及其产生的原因和防止措施见下表:

表6-1特有的工艺缺陷及其产生的原因和防止措施

主要参考文献: 《焊接工程师手册》编著陈祝年, 机械工业出版社
《焊接工艺评定手册》主编陈裕川, 机械工业出版社