直縫埋弧焊管焊縫CO氣孔產生的原因

王立柱，魏 旭，張婷婷，徐 佳，劉偉麗，王亞彬

(渤海裝備巨龍鋼管公司，河北 青縣062658)

直縫埋弧焊管焊縫CO氣孔產生的原因

王立柱，魏 旭，張婷婷，徐 佳，劉偉麗，王亞彬

(渤海裝備巨龍鋼管公司，河北 青縣062658)

針對直縫埋弧焊管生產過程中焊縫產生CO氣孔的原因進行了分析，得出直縫埋弧焊管生產過程中產生CO氣孔的工藝原因是焊接電流小而焊縫熔深大的結論。并針對CO氣孔產生的原因在焊接工藝方面提出了相應的改進措施：在電流較小時更換細焊絲；增大一絲電流；減小預焊合縫鈍邊間隙；改變坡口尺寸；提高預焊縫焊接質量；降低焊速。在鋼管生產過程中采用以上措施后，有氣孔缺陷鋼管的比例從生產初期的40％降到2％以下，鋼管的生產效率提高50％以上。

直縫埋弧焊管；多絲埋弧焊；CO氣孔；電流；熔深

1 氣孔類型

在直縫埋弧焊管生產過程中，焊縫中有時會產生多種氣孔，例如氮氣孔、氫氣孔和CO氣孔。在埋弧自動焊中，氮氣孔的產生是由于焊接過程中焊劑量不足，保護效果不好，空氣進入焊接熔池在焊縫表面成堆出現的蜂窩狀氣孔。當焊接過程中焊劑量足夠多時，焊縫中不會產生氮氣孔。氫氣孔是由于焊劑烘干不夠或焊接材料接觸到水或油在焊縫表面出現的斷面呈螺釘狀氣孔，在焊縫表面上呈喇叭口形氣孔。當焊劑烘干充分，焊絲、鋼板表面沒有水、油和銹時，焊縫中不會產生氫氣孔。CO氣孔是由于冶金反應過程中產生的CO氣體在結晶過程中來不及逸出而殘留在焊縫內部形成的氣孔。在熔池結晶的不同時期，焊縫中CO氣孔的形態也不同：條蟲狀臥在焊縫內部的氣孔、在焊縫中間的夾珠型氣孔、露到焊縫表面的錐形氣孔均屬于CO氣孔[1-3]。由于埋弧焊使用的焊絲、焊劑、鋼板中都含有C，因此，焊接熔池中冶金反應時產生的CO氣體大量存在，要消除CO氣孔，除了要降低焊材中C含量以外，還需要從焊接工藝方面入手解決。

2 實際案例及具體解決方法

案例一：在生產φ610mm×8mm鋼管時，焊縫中出現如圖1所示條蟲狀CO氣孔，在工業電視上看呈垂直于焊縫長度方向，分布于焊縫中心線兩側。起初認為是由于生產薄壁管時一絲焊接電流較小造成的，增加電流后氣孔雖然減少但焊縫燒穿增加，后將一絲改用細絲并降低電流，氣孔和燒穿不再產生。

圖1 條蟲狀氣孔

案例二：在生產φ 508mm×12.5mm鋼管時，管尾焊縫中出現如圖2所示的夾珠型氣孔，氣孔位于內焊縫中間，內部夾有一小圓珠，有的在中間，有的粘連于氣孔四周[4]。調查發現，與其他部位相比，管尾存在鈍邊合縫不嚴的現象，采取增加一絲電流，并調整管尾合縫間隙的措施后氣孔消除。

圖2 夾珠型氣孔

案例三：在生產φ508mm×7.9mm鋼管時，偶爾出現如圖3所示的內焊縫表面氣孔。經調查，是由于內焊坡口變深引起的，檢查并調整銑邊工序，保證坡口加工尺寸并加大一絲電流后，氣孔消除[5]。

圖3 表面氣孔

案例四：在生產φ508mm×7.9mm鋼管時，某一個班次的連續多根鋼管內焊縫產生連續氣孔，如圖4所示。經調查，是由于預焊CO2氣體減壓表損壞，CO2氣體供給量不足，預焊縫內部氣孔較多，從而導致內焊縫產生連續氣孔[6]。在更換預焊CO2氣體減壓表后，氣孔消除。

圖4 工業電視顯示的氣孔圖像

3 CO氣孔產生原因分析

以上幾個案例中CO氣孔產生的共同點都與焊縫熔深有關，原因分析如下

案例一：在使用粗絲小電流焊接時，焊縫中產生蟲形氣孔，改用細絲氣孔消除。與粗絲相比細焊絲的熔深系數大，在使用相同的電流焊接時，使用細焊絲的焊縫能獲得較大的熔深。

案例二：管尾鈍邊合縫不嚴，鈍邊間隙增大，在其他條件不變時，焊縫位置下沉，熔深加大。

案例三：焊縫坡口加深，其他條件不變時，焊縫熔深加大。

案例四：預焊縫內部有氣孔，使預焊縫有效厚度減薄，相當于鈍邊厚度減小，在其他條件不變時，焊縫熔深加大[7]。

由以上幾個案例可以看出，氣孔的產生與焊縫熔深有較大關系，當焊接電流、電壓、焊速不變，其他條件改變使焊縫熔深加大時，焊縫中易產生氣孔，當增加一絲電流后，氣孔消除。

熔池冶金反應過程中產生的CO氣泡長大到一定程度開始上浮，若在熔池結晶凝固前氣泡沒有浮出熔池表面，就會在焊縫中產生氣孔。因此，氣孔的產生與熔池的結晶速度、氣泡的上浮速度、氣泡上浮的距離有關。

晶粒成長平均線速度計算公式[1]為

式中：vC—晶粒成長平均線速度；

v—焊接速度；

θ—vC與v之間的夾角。

熔池的結晶速度與焊接速度及θ的大小有關，θ角在熔合線上為90°，在焊縫中心為0°，熔池的結晶速度在熔合線上為0，在焊縫中心等于焊接速度v。

氣泡浮出速度計算公式[1]為

式中：v—氣泡浮出的速度，cm/s；

ρ1—液體金屬的密度，g/cm3；

ρ2—氣體的密度，g/cm3；

g—重力加速度，980cm/s2；

r—氣泡半徑，cm；

η—液體金屬的粘度，Pa·s。

氣泡上浮速度與氣泡半徑和液體的粘度有關。在凝固結晶過程中，隨著溫度的降低，熔池金屬粘度不斷增大，氣泡上浮的速度不斷減小。

熔池中各部位的反應都有CO氣體產生，而熔池底部的CO氣體上浮的距離最大，等于焊縫的熔深。根據點熱源峰值溫度計算公式[1]

式中：Tm—工件上某點的溫度，℃；

E—線能量，J/cm；

c—工件比熱容，J/(g·℃)；

ρ—工件密度，g/cm3；

r0—某點與熱源中心的距離，cm。

當焊接過程中電流和線能量不變，受其他因素影響焊縫熔深增大時，熔池底部最高溫度Tm降低，能量減少，熔池根部熱傳導散熱面積增大，根部冷卻速度加快，液體金屬的粘度上升速度加快，氣泡上浮的速度減小，當氣泡上浮速度小于液體金屬結晶速度時，氣泡就留在焊縫中形成氣孔[8]。

4 CO氣孔產生的工藝原因

直縫埋弧焊管多采用X形坡口，3～5絲共用1個熔池進行焊接，為保證焊縫熔深，一絲采用直流焊機；為消除電弧之間的磁場干擾，后幾絲采用交流焊機；焊接電流逐漸減小，焊接電壓逐漸增大；焊接速度隨壁厚增大而減小。在工藝參數中，焊縫熔深隨一絲電流增大、焊絲直徑減小、焊接速度減小、線能量增大、焊絲間距減小、坡口尺寸增大、坡口間隙增大、預焊縫厚度減小、鋼板厚度減小而增大[9]，其中一絲電流對焊縫熔深的影響最大。

埋弧自動焊中，電流與熔深的關系如圖5所示。L為一定條件下焊接電流I與熔深h之間的關系曲線，L的斜率主要是由焊絲直徑的大小決定。另外，由于焊接電源的參數波動和坡口加工、組對誤差的影響，焊接電流與焊縫熔深也存在一定的波動，L1與L2是在一定條件下焊縫不產生缺陷時電流與熔深的波動上限與下限。

圖5 電流與熔深關系曲線

在一定條件下，位于曲線L上的焊接電流I與熔深h為穩定的工作點。在電流I一定時，其他條件改變使焊縫熔深h產生變化，當熔深大于h2時，焊縫中將產生氣孔；當熔深小于h1時，焊縫中將產生夾渣。在熔深h一定時，其他條件改變使焊接電流I產生變化，當電流小于I1時焊縫中將產生氣孔；當電流大于I2時焊縫中將產生夾渣[10]。因此，在一定情況下，焊縫不產生缺陷的條件是電流與熔深組成的坐標點位于曲線I1，I2，h1，h2，L1和L2所圍成的多邊形區域內。焊縫中不產生CO氣孔的條件：焊縫熔深與焊接電流大小匹配，當焊接電流一定時，焊縫熔深不能太大；當焊縫熔深一定時，焊接電流不能太小。

5 結 語

直縫埋弧焊管多絲焊過程中因工藝原因產生的CO氣孔，主要是由于一絲焊接電流較小，而實際焊縫熔深較大造成的。消除因工藝原因產生CO氣孔的方法：①在電流較小時更換細焊絲；②增大一絲電流；③減小預焊合縫鈍邊間隙；④改變坡口尺寸；⑤提高預焊縫焊接質量；⑥降低焊速。采用以上措施后，在φ508mm×7.9mm鋼管生產過程中，有氣孔缺陷鋼管的比例從生產初期的40％降到2％以下，鋼管的生產效率提高50％以上。

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Cause of CO Gas Pocket for Longitudinal Submerged Arc Welding(SAWL)Pipe

WANG Lizhu,WEI Xu,ZHANG Tingting,XU Jia,LIU Weili,WANG Yabin
(CNPC Bohai Equipment Julong Steel Pipe Co.,Ltd.,Qingxian 062658,Hebei,China)

In this article,it analyzed the cause of CO gas pocket generated in SAWL pipe production process,a conclusion of small welding current and deep penetration was obtained.Some improvement measures for CO gas pocket were put forward:to change the fine welding wire when the welding current is small;to increase welding current for the first wire,and decrease root face clearance of joint close pre-welding;change groove size;increase welding quality of pre-welding and decrease welding speed.All the above measures can make the proportion of steel pipe with gas pocket defects from 40％to 2％below,and increase productivity efficiency by 50％above.

SAWL pipe;multiple wires submerged arc welding;CO gas pocket;current;penetration fusion

TG441.7

A

1001-3938(2015)02-0064-04

王立柱(1973―)，工程師，長期從事直縫埋弧焊管焊接工藝研究。

2014-10-18

李紅麗