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(chǎn)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(duì)直縫埋弧焊管生產(chǎn)過程中焊縫產(chǎn)生CO氣孔的原因進(jìn)行了分析，得出直縫埋弧焊管生產(chǎn)過程中產(chǎn)生CO氣孔的工藝原因是焊接電流小而焊縫熔深大的結(jié)論。并針對(duì)CO氣孔產(chǎn)生的原因在焊接工藝方面提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施：在電流較小時(shí)更換細(xì)焊絲；增大一絲電流；減小預(yù)焊合縫鈍邊間隙；改變坡口尺寸；提高預(yù)焊縫焊接質(zhì)量；降低焊速。在鋼管生產(chǎn)過程中采用以上措施后，有氣孔缺陷鋼管的比例從生產(chǎn)初期的40％降到2％以下，鋼管的生產(chǎn)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(chǎn)過程中，焊縫中有時(shí)會(huì)產(chǎn)生多種氣孔，例如氮?dú)饪住錃饪缀虲O氣孔。在埋弧自動(dòng)焊中，氮?dú)饪椎漠a(chǎn)生是由于焊接過程中焊劑量不足，保護(hù)效果不好，空氣進(jìn)入焊接熔池在焊縫表面成堆出現(xiàn)的蜂窩狀氣孔。當(dāng)焊接過程中焊劑量足夠多時(shí)，焊縫中不會(huì)產(chǎn)生氮?dú)饪住錃饪资怯捎诤竸┖娓刹粔蚧蚝附硬牧辖佑|到水或油在焊縫表面出現(xiàn)的斷面呈螺釘狀氣孔，在焊縫表面上呈喇叭口形氣孔。當(dāng)焊劑烘干充分，焊絲、鋼板表面沒有水、油和銹時(shí)，焊縫中不會(huì)產(chǎn)生氫氣孔。CO氣孔是由于冶金反應(yīng)過程中產(chǎn)生的CO氣體在結(jié)晶過程中來不及逸出而殘留在焊縫內(nèi)部形成的氣孔。在熔池結(jié)晶的不同時(shí)期，焊縫中CO氣孔的形態(tài)也不同：條蟲狀臥在焊縫內(nèi)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(yīng)時(shí)產(chǎn)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(shí)際案例及具體解決方法

案例一：在生產(chǎn)φ610mm×8mm鋼管時(shí)，焊縫中出現(xiàn)如圖1所示條蟲狀CO氣孔，在工業(yè)電視上看呈垂直于焊縫長度方向，分布于焊縫中心線兩側(cè)。起初認(rèn)為是由于生產(chǎn)薄壁管時(shí)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(xì)絲并降低電流，氣孔和燒穿不再產(chǎn)生。

圖1 條蟲狀氣孔

案例二：在生產(chǎn)φ 508mm×12.5mm鋼管時(shí)，管尾焊縫中出現(xiàn)如圖2所示的夾珠型氣孔，氣孔位于內(nèi)焊縫中間，內(nèi)部夾有一小圓珠，有的在中間，有的粘連于氣孔四周[4]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，與其他部位相比，管尾存在鈍邊合縫不嚴(yán)的現(xiàn)象，采取增加一絲電流，并調(diào)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(chǎn)φ508mm×7.9mm鋼管時(shí)，偶爾出現(xiàn)如圖3所示的內(nèi)焊縫表面氣孔。經(jīng)調(diào)查，是由于內(nèi)焊坡口變深引起的，檢查并調(diào)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(chǎn)φ508mm×7.9mm鋼管時(shí)，某一個(gè)班次的連續(xù)多根鋼管內(nèi)焊縫產(chǎn)生連續(xù)氣孔，如圖4所示。經(jīng)調(diào)查，是由于預(yù)焊CO2氣體減壓表損壞，CO2氣體供給量不足，預(yù)焊縫內(nèi)部氣孔較多，從而導(dǎo)致內(nèi)焊縫產(chǎn)生連續(xù)氣孔[6]。在更換預(yù)焊CO2氣體減壓表后，氣孔消除。

圖4 工業(yè)電視顯示的氣孔圖像

3 CO氣孔產(chǎn)生原因分析

以上幾個(gè)案例中CO氣孔產(chǎn)生的共同點(diǎn)都與焊縫熔深有關(guān)，原因分析如下

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

案例二：管尾鈍邊合縫不嚴(yán)，鈍邊間隙增大，在其他條件不變時(shí)，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(shí)，焊縫熔深加大。

案例四：預(yù)焊縫內(nèi)部有氣孔，使預(yù)焊縫有效厚度減薄，相當(dāng)于鈍邊厚度減小，在其他條件不變時(shí)，焊縫熔深加大[7]。

由以上幾個(gè)案例可以看出，氣孔的產(chǎn)生與焊縫熔深有較大關(guān)系，當(dāng)焊接電流、電壓、焊速不變，其他條件改變使焊縫熔深加大時(shí)，焊縫中易產(chǎn)生氣孔，當(dāng)增加一絲電流后，氣孔消除。

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

晶粒成長平均線速度計(jì)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(jié)晶速度與焊接速度及θ的大小有關(guān)，θ角在熔合線上為90°，在焊縫中心為0°，熔池的結(jié)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(jì)算公式[1]為

式中：v—?dú)馀莞〕龅乃俣龋琧m/s；

ρ1—液體金屬的密度，g/cm3；

ρ2—?dú)怏w的密度，g/cm3；

g—重力加速度，980cm/s2；

r—?dú)馀莅霃?，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(guān)。在凝固結(jié)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(yīng)都有CO氣體產(chǎn)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(jù)點(diǎn)熱源峰值溫度計(jì)算公式[1]

式中：Tm—工件上某點(diǎn)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(diǎn)與熱源中心的距離，cm。

當(dāng)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(shí)，熔池底部最高溫度Tm降低，能量減少，熔池根部熱傳導(dǎo)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(dāng)氣泡上浮速度小于液體金屬結(jié)晶速度時(shí)，氣泡就留在焊縫中形成氣孔[8]。

4 CO氣孔產(chǎn)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(gè)熔池進(jìn)行焊接，為保證焊縫熔深，一絲采用直流焊機(jī)；為消除電弧之間的磁場干擾，后幾絲采用交流焊機(jī)；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(shù)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(yù)焊縫厚度減小、鋼板厚度減小而增大[9]，其中一絲電流對(duì)焊縫熔深的影響最大。

埋弧自動(dòng)焊中，電流與熔深的關(guān)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(guān)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(shù)波動(dòng)和坡口加工、組對(duì)誤差的影響，焊接電流與焊縫熔深也存在一定的波動(dòng)，L1與L2是在一定條件下焊縫不產(chǎn)生缺陷時(shí)電流與熔深的波動(dòng)上限與下限。

圖5 電流與熔深關(guān)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(wěn)定的工作點(diǎn)。在電流I一定時(shí)，其他條件改變使焊縫熔深h產(chǎn)生變化，當(dāng)熔深大于h2時(shí)，焊縫中將產(chǎn)生氣孔；當(dāng)熔深小于h1時(shí)，焊縫中將產(chǎn)生夾渣。在熔深h一定時(shí)，其他條件改變使焊接電流I產(chǎn)生變化，當(dāng)電流小于I1時(shí)焊縫中將產(chǎn)生氣孔；當(dāng)電流大于I2時(shí)焊縫中將產(chǎn)生夾渣[10]。因此，在一定情況下，焊縫不產(chǎn)生缺陷的條件是電流與熔深組成的坐標(biāo)點(diǎn)位于曲線I1，I2，h1，h2，L1和L2所圍成的多邊形區(qū)域內(nèi)。焊縫中不產(chǎn)生CO氣孔的條件：焊縫熔深與焊接電流大小匹配，當(dāng)焊接電流一定時(shí)，焊縫熔深不能太大；當(dāng)焊縫熔深一定時(shí)，焊接電流不能太小。

5 結(jié) 語

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

[1]張文鉞.焊接冶金學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

[2] 王亞男.常見焊接接頭缺陷分析[J].科技風(fēng),2011(06):144.

[3]韓曙光，陳立峰.埋弧自動(dòng)焊缺陷產(chǎn)生原因分析及改進(jìn)措施探討[J].山東機(jī)械，1992(04):41-44.

[4]張繼建，羅天寶，成曉光，等.螺旋埋弧焊管焊縫夾珠型氣孔的形成與清除[J].焊管,2009(06):55-58.

[5]李季.自動(dòng)埋弧焊對(duì)薄板的焊接[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào),2005(03):107.

[6]李東，劉慶才.直縫焊管預(yù)焊缺陷對(duì)埋弧焊質(zhì)量的影響及控制[J].焊管，2007(04):61-64.

[7]姜煥中.電弧焊及電渣焊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

[8]金建炳.埋弧焊焊接T型焊縫時(shí)產(chǎn)生氣孔的原因分析及對(duì)策[J].山東冶金，2008(04):26-27.

[9]趙世雨，杜學(xué)銘.直縫焊管多絲埋弧焊焊接工藝[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2009(01):36-38.

[10]王立柱， 吳亞軍， 曹華勇，等.厚壁直縫埋弧焊管焊縫熔合線夾渣產(chǎn)生的原因[J].鋼管,2013(04):68-70.

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