埋弧焊鋼管焊縫過渡角復型測量方法研究

吳禹勝，代志健，劉紅霞，胡 蓉

（山東勝利鋼管有限公司，山東 淄博 255082）

在保證埋弧焊管焊縫的內在質量的前提下，現場應用對埋弧焊縫的外觀質量也提出了更高的要求，焊縫的外觀質量一方面影響著焊接性能，另一方面也影響埋弧焊管后期的防腐質量[1-2]。埋弧焊縫的外觀質量主要包括焊縫余高、焊縫寬度、焊縫過渡角和焊縫均勻性等外觀形貌參數，如果能在生產現場方便快捷地獲取這些參數的準確信息，將有利于生產工藝的迅速調整，從而獲得更好的外觀質量。在這些參數中，焊縫余高和焊縫寬度目前均有適宜的量具進行測量，焊縫的均勻性也可以直觀獲得，但焊縫過渡角在現場測量方面一直沒有合適的方法，通常通過截取焊縫接頭等破壞性檢驗才能獲得比較準確的數據。本研究提出了一種采用復型技術無損測量埋弧焊鋼管外焊縫過渡角的方法，以便在現場快捷地獲取等同于破壞性檢驗的準確測量數據。

1 螺旋埋弧焊管焊縫過渡角

埋弧焊管焊縫過渡角是焊縫外輪廓線在焊趾處的切線與母材外輪廓線在焊趾處的切線之間的夾角。在螺旋埋弧焊管焊縫形狀中母材外輪廓線與焊縫外輪廓線都是弧線，其過渡角為兩弧線在焊趾處的切線的夾角，焊縫過渡角如圖1所示。圖1中的β1與β2分別表示內、外焊縫過渡角的理論角度，θ1與θ2分別表示內、外焊縫過渡角的實際測量角度，α1與α2分別表示內、外焊縫過渡角理論角度與實際測量角度差值的絕對值[3-4]。

圖1 內、外焊縫過渡角示意圖

焊縫的焊趾是應力集中部位，也是疲勞破壞的疲勞源[5-8]。通常外焊縫過渡角呈現拉應力狀態，內焊縫過渡角呈現壓應力狀態，則外焊縫的過渡角對焊縫質量的影響比較大。過渡角越小，外焊縫焊趾處的應力集中就越大，則焊縫接頭抗斷裂和抗疲勞的能力大大降低[9-10]，裂紋容易由此萌發。此外，焊縫的過渡角對焊管防腐質量也有很大的影響，當過渡角過小，則焊縫與母材過渡不平緩，在防腐涂層前進行噴丸處理時，焊趾處易形成噴射盲角，盲角內不易被噴丸處理到且無法獲得有效深度的錨紋，噴射盲角同樣也會造成環氧粉末噴涂不到位和粘結不牢。內焊縫采用濕涂法噴涂，也會由于焊趾處噴丸不到位造成粘結不牢。如果外焊縫采用PE 防腐，過渡角過小會造成防腐層擠壓不實，空氣不宜順利排出，繼而造成粘結不牢，也同樣影響防腐質量[11]。

在實際測量中由于過焊趾的母材外輪廓切線很難準確確定，一般都是以焊縫外輪廓線在焊趾處的切線與兩焊趾的連線之間的夾角來測量的[12]，如圖1中的 θ1與 θ2。對于外焊，實際測量的過渡角為 θ1=β1-α1；對于內焊 ，實際測量的過渡角θ2=β2-α2[3]。

α1與 α2[3]的計算公式為

式中：b1——外焊縫熔寬，mm；

b2——內焊縫熔寬，mm；

R——焊管內徑，mm；

t——焊管壁厚，mm。

以Φ323.9 mm×7.1 mm 和Φ1 219 mm×18.4 mm兩個規格的焊管為例，取外焊縫熔寬分別為11 mm、17 mm，內焊縫熔寬分別為 10 mm、16 mm。經計算 α1分別為 0.95°和 0.88°，α2分別為0.39°和0.38°。為了達到外焊縫與母材平滑過渡的要求，國外很多廠家把外焊縫輪廓與母材的夾角應不小于150°等要求列入行業內控標準[13]。在國內，很多鋼管廠把外焊縫的過渡角都控制在大于135°的范圍內[14]。在工程上評價過渡角大小時，如此小的誤差可以忽略不計，因此工程上在外焊縫上可以用θ1代替β1，在內焊縫上可以用 θ2代替 β2。

2 焊縫過渡角的復型測量技術

2.1 測量原理

傳統的埋弧焊焊縫過渡角的測量方法有實體工具測量和截取焊縫試樣測量。采用實體工具測量在測量工具適宜性、可操作性、人為操作誤差等方面易出現問題，從而造成測量結果與實際情況差異較大。另一種方法是截取焊縫試樣，制備垂直焊縫的截面，然后再測量相應的角度。這種測量方法的測量結果與實際情況相對吻合，但這是一種破壞性檢測，從制樣到測量完畢所需時間很長，且需要使用專用設備進行切樣、磨樣、觀察和測量。實際上對于埋弧焊管，可以根據埋弧焊的特點采用復型技術進行無損的間接測量。

所謂復型，就是樣品表面形貌的復制，其原理與偵破案件時用石膏復制鞋底花紋相似。復型法實際上是一種間接測量分析方法，通過復型制備出來的樣品真實地反映了樣品表面形貌細節[15]。

對于埋弧焊鋼管，由于采用燒結焊劑，在焊接過程中熔融的焊劑完全覆蓋于焊縫之上，冷卻后自然形成了復型技術分析用的復型樣品，可以真實地反映焊縫的外觀形貌。現場可采用自然脫落的完整的焊劑藥皮來制備復型樣品。冷卻后的焊劑藥皮硬度較大且比較脆，因此焊劑藥皮復型試樣用手掰斷即可獲取。當斷口比較平整、與焊縫相對比較垂直且藥皮邊角沒有缺損時，則可采用該斷口進行拍照和后期的測量。

測量焊縫過渡角僅需要4 種材料：焊劑藥皮、能拍照手機、手機測量軟件和燕尾夾。下面以檢測Φ820 mm×10 mm 鋼管的焊縫過渡角為例，簡述一下整個操作過程及注意事項。

2.2 試樣制備操作方法

直接用手掰取一截待測量焊管的焊劑藥皮，若藥皮斷口比較平整、與焊縫相對比較垂直且藥皮邊角沒有缺損，即可作為合格的復型試樣，如圖2所示。

圖2 合格復型試樣示意圖

若試樣斷口的平整度和與焊縫的垂直度相差較大時，則需要進行簡單的修磨處理，可采用任何可修磨鋼鐵的電動工具進行斷面修磨，最終修磨出垂直于藥皮的斷面截面。操作時要注意邊角無缺損、相對平整和與焊縫相對垂直。經過練習，熟練操作后，幾秒種內完全能夠制備一個符合要求的復型樣品。

用手機對樣品進行拍照，拍照時采用燕尾夾或橡皮泥將試樣垂直固定于桌面，應注意拍出清晰的、與焊縫接觸部位的輪廓線，焊劑復型截面照片如圖3所示。

圖3 焊劑復型試樣截面照片

2.3 過渡角測量

采用可以測量角度的軟件進行角度測量，測量原理如圖1所示。測量時先用畫直線功能作連接兩焊趾處的直線，并向外延長適當長度。然后用測角度功能進行角度測量。手機圖像測量軟件ImageMeter 在畫直線和測量角度時有局部放大功能，可清晰準確地進行定位，進而完成準確的測量。

采用圖像測量軟件ImageMeter 測量的外焊縫過渡角如圖4所示。

圖4 焊劑復型方法測量的外焊縫過渡角

3 焊縫過渡角傳統測量方法與復型測量方法比較

3.1 破壞性

傳統測量埋弧焊焊縫過渡角的方法需要從鋼管上截取焊縫再進行檢測，這是一種破壞性檢驗方法，對產品有損耗；采用藥皮作為復型試樣的檢測方法，利用在埋弧焊接中自然脫落的焊劑藥皮來進行檢驗，對鋼管沒有任何損傷，即實現了無損化檢測，無任何產品損耗。

3.2 檢測效率

傳統測量埋弧焊焊縫過渡角的過程比較復雜和繁瑣，包括取樣準備、火焊割樣、送樣、試樣切割加工、試樣磨削處理、試樣拍照和過渡角測量等一系列工作，過程中需要專業人員取樣和專用設備加工試樣，需要多項工序配合完成，耗時長，至少要 1～1.5 h。

采用藥皮作為復型試樣的檢測方法只需要用手掰斷焊劑藥皮，很容易得到滿足檢驗條件的樣品，當場用手機即可拍照測量。操作熟練時，僅需1～1.5 min，且經過簡單培訓即可完成操作。復型試樣的檢測方法更有利于生產現場的實際操作。

3.3 測量準確性

傳統測量方法包括用實體工具測量、透明半圓規測量和采用電腦測量軟件測量。由于焊縫過渡角的不規則性，當用實體工具無法與過渡角精確貼合或測量工具的精度不足時，則很難準確地測量過渡角。如用透明半圓規進行測量，由于測量工具的精度不足，測量讀數誤差很大。采用電腦測量軟件測量有較高的測量精度。

采用藥皮作為復型試樣的檢測方法，通過測量軟件測量，與傳統的采用電腦軟件測量埋弧焊焊縫過渡角的方法具有同等的檢測準確性。

3.4 檢測區域

傳統的焊縫過渡角檢測只能針對切割下來的焊縫進行檢測，而采用藥皮作為復型試樣的檢測方法可以檢測任意焊縫的過渡角，這是傳統的破壞性檢測方法無法實現的。另外，還可以采用復型技術思想進行非埋弧焊焊縫的過渡角檢測，即專門制取焊縫復型進行檢測。

4 結束語

采用復型技術測量埋弧焊鋼管外焊縫過渡角的檢測方法具有破壞性小、檢測效率高、測量準確性高、測量區域廣等優點。經現場測量驗證，該方法可以迅速完成現場埋弧焊焊縫過渡角的測量，且檢測具有隨時性、便捷性和高效性。目前該方法已經在山東勝利鋼管有限公司進行了推廣，取得了良好的效果。