埋弧焊的未熔合缺陷成因分析及質(zhì)量控制

李宏巖

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都610000）

0 引言

在焊接金屬熔合面或連接的焊道之間沒有熔合出現(xiàn)的焊接不連續(xù)被稱為未熔合。按位置可將未熔合分為層間未熔合、坡口未熔合和焊縫根部未熔合；按狀態(tài)可將未熔合分為白色未熔合與黑色未熔合，白色為不含有夾渣的純氣隙的未熔合，而黑色的為含有夾渣的未熔合。焊接未熔合在檢驗(yàn)規(guī)范中均屬于不允許的缺陷，坡口未熔合和根部未熔合明顯減小了承載截面積，應(yīng)力集中比較嚴(yán)重，其危害性僅次于裂紋。一旦漏檢未及時(shí)修復(fù)，設(shè)備服役承壓狀態(tài)下會(huì)發(fā)生開裂、層間撕裂，最終造成設(shè)備泄漏甚至爆裂等安全事故。

未熔合在自動(dòng)焊中出現(xiàn)的射線缺欠率為30%～60%，超聲探傷缺欠出現(xiàn)率為50%～60%，所有缺欠類型中未熔合、未焊透出現(xiàn)率最高［1］。控制焊接質(zhì)量，避免未熔合缺欠產(chǎn)生，對(duì)于提高生產(chǎn)效率、保證工程質(zhì)量安全具有重要意義。

本文將通過對(duì)電站壓力管道埋弧焊焊縫的無損檢驗(yàn)跟蹤，分析埋弧焊未熔合缺陷成因，進(jìn)而優(yōu)化焊接工藝，達(dá)到控制焊接質(zhì)量的目的，并歸納總結(jié)出埋弧自動(dòng)焊避免未熔合缺陷產(chǎn)生的質(zhì)量控制措施。

1 未熔合的檢驗(yàn)和判定方法

未熔合的檢驗(yàn)主要以超聲波和射線檢測(cè)為主。

A 型超聲波反射法檢測(cè)坡口未熔合缺陷，可以根據(jù)坡口類型、工件厚度和超聲波反射波形確定，由于坡口未熔合的缺陷角度和超聲波發(fā)射角度的關(guān)系，坡口未熔合多為一次波未能發(fā)現(xiàn)或很低，二次波發(fā)現(xiàn)且波形單一尖銳。由于未熔合為面積型缺陷，有一定長(zhǎng)度，平行于焊縫方向移動(dòng)探頭缺陷波形變化不大（圖1）。由于層間未熔合角度問題，層間未熔合較難被斜探頭檢出，直探頭容易探到層間未熔合，當(dāng)超聲波垂直入射到其表面時(shí)，回波很強(qiáng)，底波明顯降低，甚至消失。

射線檢測(cè)坡口未熔合的典型影像是連續(xù)或斷續(xù)的黑線，寬度不一，黑度不均勻，一側(cè)輪廓較齊，黑度較大，另一側(cè)輪廓不規(guī)則，黑度較小，在底片上的位置一般在焊縫中心至邊緣的1/2處，沿焊縫縱向延伸（圖2）。根部未熔合的典型影像是一條細(xì)直黑線，線的一側(cè)輪廓整齊且黑度較大，為坡口鈍邊痕跡，另一側(cè)輪廓可能較規(guī)則也可能不規(guī)則，根部未熔合在底片上的位置應(yīng)是焊縫根部的投影位置，一般在焊縫中間，因坡口形狀或投影角度等原因也可能偏向一邊。層間未熔合的典型影像是黑度不大的塊狀陰影，形狀不規(guī)則，如伴有夾渣，夾渣部位黑度較大，黑度較小時(shí)底片上不易發(fā)現(xiàn)。對(duì)未熔合缺陷評(píng)判，要持慎重態(tài)度，因?yàn)橛袝r(shí)與夾渣很難區(qū)分，尤其是層間未熔合，容易誤判。一般與夾渣的區(qū)別在于黑度的深淺和外貌形狀規(guī)則等。

圖1 未熔合超聲波形圖

圖2 未熔合射線檢驗(yàn)典型影像

2 未熔合成因分析

根據(jù)超聲波或射線檢驗(yàn)結(jié)果定位缺陷位置，對(duì)缺陷位置進(jìn)行碳弧氣刨或打磨解剖，目視觀察并分析缺陷類型。

缺陷形成受以下6個(gè)方面因素影響：材料、焊接方法和工藝、應(yīng)力（設(shè)計(jì)因素與施工因素影響）、接頭幾何形狀、環(huán)境（介質(zhì)因素、溫度因素影響）、焊后處理［2］。

仔細(xì)分析上述各影響因素，對(duì)未熔合形成原因進(jìn)行分析，列出影響未熔合形成的主要因素（表1），針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)逐條對(duì)比，確定未熔合產(chǎn)生的根本原因，進(jìn)而優(yōu)化焊接工藝或加強(qiáng)質(zhì)保管理，以達(dá)到控制焊接質(zhì)量的目的。

熔融金屬在與母材熔合過程中因受到輸入能量影響或其他雜質(zhì)阻礙，熔合不能順利進(jìn)行，就會(huì)影響焊接接頭的性能。產(chǎn)生未熔合的主要原因如下：

表1 焊接工藝與未熔合缺陷、焊接技術(shù)人員的關(guān)系

2.1 焊接準(zhǔn)備影響

坡口設(shè)計(jì)不合理，坡口加工和裝配精度不夠，坡口清理不干凈，焊件邊緣有氧割或碳弧氣刨熔渣，有殘留氧化物鐵皮和碳化物，網(wǎng)路電壓影響，設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定，環(huán)境溫度不適合等。

2.2 焊接參數(shù)影響

焊接電流小，焊接速度加快，母材未熔化時(shí)已被鐵水覆蓋，容易造成未熔合。焊速過低，會(huì)使熔融金屬流到電弧下方，電弧不能直達(dá)坡口，會(huì)出現(xiàn)未焊透、未熔合、夾渣等缺陷。

2.3 焊接過程影響

碳弧氣刨后清根不徹底，雜質(zhì)阻礙母材邊緣與根部之間以及焊層之間的熔合；焊絲未對(duì)準(zhǔn)焊縫中心；電弧方向不當(dāng)或電磁偏吹［3］（外界磁場(chǎng)使電弧自身磁場(chǎng)不對(duì)稱，無法保持電弧剛直性；焊絲偏離中心線及坡口兩側(cè)不對(duì)稱產(chǎn)生的磁偏吹）都會(huì)造成未熔合形成。

3 焊接質(zhì)量控制

3.1 環(huán)境因素控制

由于埋弧焊焊接電流大，電弧燃燒時(shí)間長(zhǎng)，其所消耗的電能較大，因此，埋弧焊機(jī)在接入電網(wǎng)前要對(duì)電網(wǎng)容量進(jìn)行校核［4］。為了防止焊接設(shè)備對(duì)其他電氣設(shè)備的影響，也為了焊接規(guī)范參數(shù)的穩(wěn)定，避免網(wǎng)路電壓的影響，最好用專用變壓器供電。變壓器已定的情況下，要避免和其他高負(fù)荷工作同時(shí)進(jìn)行作業(yè)，以保證焊接參數(shù)穩(wěn)定。

現(xiàn)場(chǎng)施焊時(shí)的環(huán)境因素如風(fēng)速、濕度、氣溫等也會(huì)對(duì)焊縫內(nèi)部質(zhì)量的形成產(chǎn)生一定影響。配置溫濕度計(jì)，對(duì)焊接環(huán)境溫度、濕度定時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，使焊接工作在要求的環(huán)境條件下進(jìn)行。

焊接前確保滾焊臺(tái)車、焊機(jī)、碳弧氣刨機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定良好，走絲準(zhǔn)確對(duì)中，不偏弧。定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修及保養(yǎng)，確保設(shè)備精度滿足使用要求，對(duì)于焊接設(shè)備定期檢測(cè)儀表，保證焊接參數(shù)準(zhǔn)確。

3.2 焊接工藝優(yōu)化

3.2.1 焊前準(zhǔn)備

坡口設(shè)計(jì)合理，保證坡口加工及裝配精度。焊接坡口切割后應(yīng)保證切割表面光滑，熔渣、毛刺、缺棱及飛濺物用砂輪磨去。

3.2.2 焊接參數(shù)

焊接線能量是焊接過程的重要影響因素，它不但影響峰值溫度的分布和冷卻速度，還影響凝固時(shí)間，從而影響金屬焊接接頭的冶金特性和力學(xué)性能。焊接線能量由焊接電流、電弧電壓和焊接速度共同控制。焊接電流是決定熔深的主要原因，電流越大，熔深越大。電弧電壓是決定熔寬的主要因素，電壓增加，熔寬增加。焊接速度加快，焊縫熔深和熔寬都減小，母材未熔化時(shí)已被鐵水覆蓋，容易造成未熔合。焊速過低，會(huì)使熔融金屬流到電弧下方，電弧不能直達(dá)坡口，會(huì)出現(xiàn)未焊透、未熔合、夾渣等缺陷，因此焊接速度不能過快，也不能過慢。

3.2.3 焊接過程

合理選擇焊絲傾角。保證焊絲對(duì)正焊縫中心，發(fā)現(xiàn)偏移及時(shí)調(diào)整。埋弧焊前，可用焊條電弧焊或CO2焊打底，底層厚4～5mm，使坡口底端呈圓角。這樣可以消除鈍邊組裝錯(cuò)邊的影響，消除電磁偏吹，同時(shí)也減少了清根工作。背面清根過程中，碳弧氣刨盡量保持均勻的刨削速度。操作者可通過控制刨削速度和等距離弧長(zhǎng)，從而獲得均勻光滑的刨槽。氣刨后應(yīng)用磨光機(jī)打磨清除刨槽內(nèi)外的滲碳、滲銅和氧化層等后再焊接。

3.3 質(zhì)量保證控制

焊工上崗前應(yīng)對(duì)其進(jìn)行有針對(duì)性的焊接工藝培訓(xùn)，提高施工人員質(zhì)量意識(shí)，增強(qiáng)焊工與設(shè)備的熟悉程度。焊工施焊前，進(jìn)行全員交底，交底中詳細(xì)講解焊接工藝特點(diǎn)及嚴(yán)格控制現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝的必要性和控制要點(diǎn)。焊工應(yīng)嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)程和指導(dǎo)書操作，嚴(yán)格落實(shí)三檢制。

焊接工藝參數(shù)經(jīng)過焊接工藝評(píng)定合格，工藝指導(dǎo)書具有針對(duì)性，規(guī)程詳細(xì)準(zhǔn)確有效，確保技術(shù)人員能夠準(zhǔn)確執(zhí)行。

細(xì)化操作過程管理，如制定焊接活動(dòng)檢查表，各崗位人員按職責(zé)實(shí)施焊前、焊中、焊后檢查，對(duì)焊接設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、焊接參數(shù)、焊接熔池觀察等內(nèi)容進(jìn)行確認(rèn)并記錄。

質(zhì)檢人員應(yīng)加大事前預(yù)防性檢查力度，將事前活動(dòng)仔細(xì)分解，列出表格，驗(yàn)證確認(rèn)。同時(shí)注重工藝過程監(jiān)督，發(fā)現(xiàn)問題立刻叫停，及時(shí)處理糾正，避免造成嚴(yán)重后果。

4 結(jié)語

無損檢測(cè)能在壓力管道制造初期埋弧焊焊接質(zhì)量控制中發(fā)現(xiàn)缺陷并加以定性，為下一步改進(jìn)焊接工藝參數(shù)提供了有價(jià)值的參考建議，節(jié)約了制造成本，保證了工程質(zhì)量和進(jìn)度。

［1］陳伯蠡.焊接工程缺欠分析與對(duì)策［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［2］GB6416—1986 影響鋼熔化焊接頭質(zhì)量的技術(shù)因素［S］.

［3］吳敢生.埋弧自動(dòng)焊［M］.沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

［4］吳志生，楊立軍，李志勇.現(xiàn)代電弧焊接方法及設(shè)備［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.