直縫埋弧焊管焊縫產(chǎn)生咬邊缺陷原因分析

王立柱，龔健，孟凡佳，袁超，吳鎮(zhèn)宇，秦楠

直縫埋弧焊管焊縫產(chǎn)生咬邊缺陷原因分析

王立柱1，龔健2，孟凡佳1，袁超2，吳鎮(zhèn)宇1，秦楠1

（1.巨龍鋼管有限公司，河北青縣062658；2.南京巨龍鋼管有限公司，江蘇南京210061）

介紹了直縫埋弧焊管產(chǎn)生咬邊缺陷的6種情況，并在此基礎(chǔ)上分析了咬邊缺陷的產(chǎn)生原因，提出具體的控制措施。分析認(rèn)為：產(chǎn)生咬邊缺陷的主要原因是在焊接時(shí)熔池受力情況發(fā)生改變，導(dǎo)致液態(tài)金屬流動(dòng)范圍縮小或流動(dòng)方向改變；通過調(diào)整焊接工藝參數(shù)、坡口位置、焊絲角度，以及使焊絲軸線與坡口橫截面垂直或采用細(xì)絲焊接等措施，可減少咬邊缺陷。

直縫埋弧焊管；焊縫；咬邊；原因分析；液態(tài)金屬；受力

咬邊是焊接過程中常見的缺陷，因焊接參數(shù)選擇不當(dāng)，或操作方法不正確，沿焊趾的母材部位產(chǎn)生的溝槽或凹陷叫咬邊［1］。咬邊缺陷使焊接接頭承載截面的幾何尺寸發(fā)生改變，在缺陷處產(chǎn)生較強(qiáng)的應(yīng)力集中，降低了接頭的承載能力和疲勞強(qiáng)度［2-5］；在腐蝕環(huán)境中由于積聚腐蝕物而加速局部腐蝕［6］。在直縫埋弧焊管生產(chǎn)中，通過采取合理的工藝措施來防止產(chǎn)生咬邊缺陷，是提高焊接質(zhì)量的重要途徑。

1 生產(chǎn)實(shí)例

（1）現(xiàn)象1。在生產(chǎn)Φ508 mm×7.9 mm直縫埋弧焊管初期，管尾焊偏、咬邊較多，焊縫窄且高，兩條內(nèi)焊生產(chǎn)的鋼管咬邊都在同一側(cè)。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，管端在6點(diǎn)鐘位置時(shí)，管尾存在焊點(diǎn)偏移，將其都調(diào)整至6點(diǎn)鐘位置后，再次焊接不再出現(xiàn)焊偏和咬邊現(xiàn)象。焊點(diǎn)偏移引起的咬邊如圖1所示。

（2）現(xiàn)象2。由于某一根焊絲送絲阻力較大或送絲輪打滑，送絲不穩(wěn)定，引起生產(chǎn)過程中出現(xiàn)焊縫兩側(cè)同時(shí)咬邊或焊縫局部變窄的現(xiàn)象，卡絲引起的咬邊如圖2所示。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在調(diào)整送絲機(jī)構(gòu)使送絲穩(wěn)定后，咬邊消除。

（3）現(xiàn)象3。采用三絲焊焊接工藝焊接Φ813 mm×12.5 mm直縫埋弧焊管，焊絲均為Φ4.0 mm，三絲電流約500 A。外焊縫邊緣常產(chǎn)生單個(gè)咬邊，粗絲小電流引起的咬邊如圖3所示。將三絲更換成Φ3.2 mm的焊絲，其他參數(shù)不變，再進(jìn)行焊接，咬邊現(xiàn)象消除。

圖1 焊點(diǎn)偏移引起的咬邊

圖2 卡絲引起的咬邊

圖3 粗絲小電流引起的咬邊

（4）現(xiàn)象4。在生產(chǎn)Φ711 mm×11 mm直縫埋弧焊管時(shí)，內(nèi)焊縫出現(xiàn)整根單側(cè)連續(xù)咬邊現(xiàn)象，焊絲傾斜引起的咬邊如圖4所示。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)是內(nèi)焊絲導(dǎo)電桿向一側(cè)傾斜，更換導(dǎo)電桿后咬邊消除。

圖4 焊絲傾斜引起的咬邊

（5）現(xiàn)象5。高速焊引起的咬邊如圖5所示。在生產(chǎn)Φ711 mm×8 mm直縫埋弧焊管時(shí)，焊縫窄且高，兩側(cè)產(chǎn)生連續(xù)咬邊，究其原因是焊速過高，降低焊速后咬邊現(xiàn)象消除。

圖5 高速焊引起的咬邊

（6）現(xiàn)象6。在生產(chǎn)Φ610 mm×12.5 mm鋼管時(shí)，鋼管內(nèi)焊縫管端和管尾沒有咬邊，中間咬邊多，中間焊縫窄而高。內(nèi)焊焊點(diǎn)附近磁場強(qiáng)度超過45 Gs。經(jīng)調(diào)查，原因是鋼板磁導(dǎo)率偏大，焊接電流產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度太高；減小內(nèi)焊電流，降低焊速后咬邊消除。

2 產(chǎn)生原因

熔池中的液態(tài)金屬在各種力的作用下流動(dòng)，液態(tài)金屬除受電弧壓力F壓的作用外，還受重力F重、電磁力F磁、表面張力F張、等離子流力F離及外力F外的作用，即F合=F重+F壓+F離+F張+F磁+F外。

當(dāng)電弧所受力F合的大小或力的方向發(fā)生改變時(shí)，液態(tài)金屬的流動(dòng)范圍或流動(dòng)方向也會(huì)產(chǎn)生變化，導(dǎo)致熔池邊緣液態(tài)金屬減少，產(chǎn)生咬邊缺陷。

熔池金屬所受重力F重與熔池金屬的密度和熔池體積成正比。重力對(duì)熔池金屬產(chǎn)生的作用與焊接的空間位置有關(guān)，在平焊位置時(shí)，重力有利于焊縫成形，在其他位置時(shí)，重力往往破壞熔池的穩(wěn)定性使焊縫成形變差［7］。在現(xiàn)象1中，當(dāng)焊縫存在焊點(diǎn)偏移時(shí)，熔池不再處于水平位置，重力使液態(tài)金屬向下流動(dòng)，當(dāng)焊點(diǎn)偏移量較大時(shí)，上方的焊縫邊緣由于金屬的減少而產(chǎn)生咬邊［8］。

液態(tài)金屬流動(dòng)范圍隨電弧壓力F壓增大而增大，隨電弧壓力減小而減小。電弧形態(tài)及焊接規(guī)范參數(shù)與電弧壓力大小有直接關(guān)系［8］。電流增大時(shí)電弧壓力增大；電弧電壓升高即電弧長度增加時(shí)，電弧壓力減小；焊絲直徑越小，電弧壓力越大。在現(xiàn)象2中，當(dāng)送絲不穩(wěn)定送絲阻力增大時(shí)，電弧電壓升高，電流減小，電弧壓力減小，液態(tài)金屬流動(dòng)范圍減小，不能覆蓋到熔池邊緣而產(chǎn)生咬邊。

高速等離子流力F離對(duì)熔滴產(chǎn)生的推力使熔滴沿焊絲軸線方向運(yùn)動(dòng)。這種力的大小與焊絲直徑和電流大小有密切關(guān)系［9］。在現(xiàn)象3中，當(dāng)焊接電流較小焊絲直徑較大時(shí)，高速等離子流力對(duì)熔滴產(chǎn)生的推力較小，作用在熔池液態(tài)金屬上的電弧壓力也較小，液態(tài)金屬流動(dòng)范圍小，焊縫產(chǎn)生咬邊；當(dāng)更換成細(xì)焊絲后，高速等離子流力對(duì)熔滴產(chǎn)生的推力增大，作用在熔池液態(tài)金屬上的電弧壓力也增大，液態(tài)金屬流動(dòng)范圍增大，從而消除焊縫邊緣產(chǎn)生的咬邊。在現(xiàn)象4中，導(dǎo)電桿側(cè)彎，焊絲軸線與坡口橫截面不垂直，高速等離子流力對(duì)熔滴產(chǎn)生的推力方向發(fā)生改變，作用在熔池液態(tài)金屬上的電弧壓力方向也發(fā)生改變，在焊絲軸線與坡口橫截面夾角較小的一側(cè)產(chǎn)生咬邊。

在金屬熔池中，表面張力F張阻礙熔池金屬在電弧壓力作用下的流動(dòng)。在現(xiàn)象5中，相同的電流電壓下，隨著焊接速度的提高，熱輸入減小，熔池溫度降低，咬邊傾向增大［10-13］。降低焊接速度，增大熱輸入，熔池溫度升高，液態(tài)金屬的表面張力減小，流動(dòng)范圍增大，消除咬邊現(xiàn)象。

直流產(chǎn)生的電磁力F磁使液態(tài)金屬向中間收縮，阻礙液態(tài)金屬流動(dòng)。電磁力F磁由公式（1）［14］計(jì)算：

式中μ——磁導(dǎo)率，H/m；

I——電流，A；

L——熔池長度，mm；

a——熔池寬度，mm。

由公式（1）可知，電磁力與電流的平方成正比，與鋼管的磁導(dǎo)率成正比。在現(xiàn)象6中，由于鋼管磁導(dǎo)率大，焊接過程中一絲直流產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度高，在熔池中產(chǎn)生較大作用力，阻礙液態(tài)金屬的流動(dòng)，使焊縫產(chǎn)生咬邊。管端管尾由于磁偏吹影響［15］，熔池金屬受到的力有變化，所以不產(chǎn)生咬邊。

焊接過程中有外力F外進(jìn)入熔池，如起弧焊渣黏到導(dǎo)電嘴上掉入熔池產(chǎn)生表面壓力，或大顆粒焊渣、焊絲頭等重物落入熔池，使熔池受力狀態(tài)發(fā)生改變，也可能導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生咬邊。

3 防止措施

由以上分析可知，熔池受力的改變是焊縫產(chǎn)生咬邊的主要原因。為防止焊縫產(chǎn)生咬邊，應(yīng)對(duì)熔池的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，找出是哪種力的改變導(dǎo)致咬邊產(chǎn)生，并針對(duì)這種力的狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

（1）由表面張力產(chǎn)生的咬邊，應(yīng)調(diào)整焊接工藝，使焊接熔池有足夠的熱輸入。

（2）由電弧壓力產(chǎn)生的咬邊，應(yīng)調(diào)整送絲系統(tǒng)或焊接工藝參數(shù)，保證電弧穩(wěn)定燃燒［16］。

（3）由重力產(chǎn)生的咬邊，應(yīng)調(diào)整焊接坡口位置，盡量采用水平位置焊接。

（4）由等離子流力產(chǎn)生的咬邊，應(yīng)調(diào)整焊絲軸線與坡口橫截面垂直或采用細(xì)絲焊接。

（5）由磁場力產(chǎn)生的咬邊，應(yīng)調(diào)整焊絲角度或焊接電流，采取措施防止磁場干擾，減少磁偏吹。

（6）外力產(chǎn)生的咬邊，應(yīng)查找并消除外力源。

4 結(jié)語

焊管生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的咬邊，大多是由于工藝條件變化導(dǎo)致熔池金屬受力狀態(tài)改變使液態(tài)熔池金屬的流動(dòng)方向偏移或流動(dòng)范圍減小，導(dǎo)致熔池邊緣不能被液態(tài)金屬覆蓋引起的，通過調(diào)整工藝參數(shù)，使熔池保證均衡、穩(wěn)定的受力狀態(tài)，可以減少焊縫咬邊缺陷的產(chǎn)生。

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Investigation of Causes for Defective Undercut of SAWL Pipe

WANG Lizhu1，GONG Jian2，MENG Fanjia1，YUAN Chao2，WU Zhenyu1，QIN Nan1
（1.Julong Steel Pipe Co.，Ltd.，Qingxian 062658，China；
2.Nanjing Julong Steel Pipe Co.，Ltd.，Nanjing 210061，China）

The common six types of the defective undercuts of the SAWL pipe are described here in the paper，based on which the causes for the said defect are investigated.And accordingly，specific preventative actions are proposed.The analysis result reveals that the major cause for the defective undercut of the pipe is that it is the stress changing of the molten bath during welding operation that causes reduction of the molten metal flow area or change of the flow direction.Accordingly，the defective undercut can be lessened by means of such actions as adjusting the process parameters，bevel position，and welding wire angle，and getting the welding wire axis perpendicular to the bevel cross section or adopting some thin welding wire.

SAWL pipe；weld；undercut；investigation of causes；molten metal；loading

TG335.75

B

1001-2311（2016）05-0038-03

2016-03-08；修定日期：2016-06-22）

王立柱（1973-），男，工程師，主要從事直縫埋弧焊管的焊接工藝研究工作。