鉆機結構件K形坡口全熔透焊縫焊接質量控制

楊曉哲

（寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721002）

1 K形坡口全熔透焊縫工藝要求

近幾年，在公司海洋工程結構設計中，對材質為Q345D中厚板的焊接多采用承載能力強、無缺口效應的全熔透焊縫（CJP），其焊接坡口形式為45°～55°K形坡口，鈍邊 2 mm，正面焊，背面碳弧氣刨清根，并用砂輪打磨清理后完成焊接，且要求100%UT探傷合格。常見焊縫形式如圖1所示，工件接頭形式如圖2所示。

圖1 焊縫形式示意圖

圖2 工件接頭形式

2 K形坡口全熔透焊縫常見的焊接缺陷

2.1 尺寸缺陷

包括焊接結構的尺寸誤差和焊縫形狀不佳等，焊縫表面凸凹不平、寬度不均、波紋粗大，這些缺陷不僅使焊縫成形不美觀，而且易造成應力集中，降低焊材與母材的結合強度，從而影響焊縫質量。

2.2 結構缺陷

主要包括氣孔、夾渣、根部未熔合或未焊透、咬邊、裂紋等，是焊接過程中最容易出現的缺陷，這些缺陷的存在不僅降低了焊接接頭的力學性能，而且造成應力集中，易形成裂紋，導致結構破壞，使焊接結構無法承受正常載荷。

3 K形坡口全熔透焊縫質量缺陷原因分析

（1）打底焊采用富氬混合氣體保護焊（80%Ar+20%CO2），如圖3所示。由于噴嘴直徑相對較大，焊絲不易伸入到接頭根部，易造成根部未熔合。

圖3 富氬混合氣體保護焊示意圖

（2）采用富氬混合氣體保護焊打底時，焊絲伸出長度過長，不符合工藝要求，致使氣體保護不到位，易產生氣孔；另外，焊絲伸出長度過長，焊接電流變小，易引起未焊透，電弧不穩；焊絲伸出長度較短時，噴嘴易粘附飛濺，導電嘴易損壞，看不清焊接電弧，焊槍無法擺動，同時，焊絲伸出長度短，焊接電流增大，弧長變小，熔深變深，而且焊絲不易于伸入到接頭根部。

（3）電弧電壓和焊接電流的影響。電弧電壓是短路過渡的關鍵參數，短路過渡的特點是：采用較低電壓，電弧電壓與焊接電流相匹配，可以獲得飛濺少、焊縫成形良好的穩定焊接過程。

焊接過程中合理控制電弧長度是保證焊縫質量穩定的重要因素。電弧電壓主要由電弧長度決定，電弧長度越大，電壓越高；電弧長度越短，電壓越小。電弧過長對熔化金屬保護差，空氣中的O、H、N等有害氣體容易侵入，使焊縫易產生氣孔，金屬的力學性能降低；若弧長過短，電弧對溶池的表面壓力過大，使熔池中氣體及熔渣上浮受阻，從而引起氣孔、夾渣等缺陷的產生。

焊接電流大小選擇恰當與否直接影響到焊后的焊縫質量。焊接電流過大，雖然可以提高生產效率，并使熔透深度增加，但易出現咬邊、焊穿，增加焊件變形和金屬飛濺，也會使焊接接頭的組織由于熱量過大而變化，并增大氣孔傾向；電流過小使電弧不穩、熔深減小，易出現未焊透、成形不良、夾渣等缺陷。

4 防止K形坡口全熔透焊縫缺陷的措施

4.1 做好焊前準備

（1）在工件上加工相應的坡口和鈍邊，坡口角度在45°～60°較合適。清理焊縫周圍（焊道兩邊30 mm以內）母材上的鐵銹及油污，直至露出金屬光澤。工件裝配定位焊接時，按規定留出間隙（預留4～5 mm），以保證根部熔透。為了便于操作，定位焊點在焊縫的兩端，防止收縮變形，造成尺寸誤差。

另外，由于大坡口焊縫在焊接及清根過程中，熱輸入量過大會產生焊接變形。因此，需要將對稱工件背對背點焊牢固，焊接工裝控制變形，以達到控制反變形目的（如圖4和圖5所示）。

（2）對焊縫根部及拐角處砂輪無法清理部位，采用機加絞刀安裝在角磨機上進行清理，清理效果顯著，保證了焊縫內在質量，為全熔透焊縫超聲波探傷（UT）奠定了良好的基礎。

圖4 背對背點焊

圖5 工裝固定

4.2 選擇合理焊接方法和工藝要求

由于采用焊條電弧焊時，焊條可以伸入接頭根部（如圖6所示），還可以在小范圍內調整焊接角度，能很好地保證接頭根部質量。經過多次實踐，我們決定對坡口深度大于12 mm的焊縫，采用焊條電弧焊打底+富氬混合氣體填充、蓋面。為了保證熔透，采取小鈍邊（0～1 mm），先用焊條電弧焊后，背面碳弧氣刨清根，然后焊條電弧焊打底，富氬混合氣體保護焊填充、蓋面。經多次試驗后，得出最佳工藝參數，見表1。

圖6 焊條電弧焊示意圖

表1 最佳焊接工藝參數

4.3 焊后不去除工藝撐（工裝）進行去應力處理

為了消除焊后工件產生大的內應力，采用整體高溫回火，即將構件整體加熱到600～650℃。在這樣的溫度下，其屈服點降低，內部由于應力的作用而產生一定的塑性變形，然后再緩慢冷卻下來，從而使應力得到消除。整體焊后熱處理，一般可將80%～90%的殘余應力消除掉，減少焊后工件變形。

5 結 論

采用上述焊接工藝和操作方法焊接K形坡口全熔透焊縫，既保證了焊接質量，又控制了焊接變形，產品的一次探傷合格率從以前的50%提高到了90%以上，進一步降低了焊縫返修率，提高了生產效率，節約了制造成本。

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