埋弧焊的未熔合缺陷成因分析及質(zhì)量控制

李宏巖

（中國核動力研究設計院，四川 成都610000）

0 引言

在焊接金屬熔合面或連接的焊道之間沒有熔合出現(xiàn)的焊接不連續(xù)被稱為未熔合。按位置可將未熔合分為層間未熔合、坡口未熔合和焊縫根部未熔合；按狀態(tài)可將未熔合分為白色未熔合與黑色未熔合，白色為不含有夾渣的純氣隙的未熔合，而黑色的為含有夾渣的未熔合。焊接未熔合在檢驗規(guī)范中均屬于不允許的缺陷，坡口未熔合和根部未熔合明顯減小了承載截面積，應力集中比較嚴重，其危害性僅次于裂紋。一旦漏檢未及時修復，設備服役承壓狀態(tài)下會發(fā)生開裂、層間撕裂，最終造成設備泄漏甚至爆裂等安全事故。

未熔合在自動焊中出現(xiàn)的射線缺欠率為30%～60%，超聲探傷缺欠出現(xiàn)率為50%～60%，所有缺欠類型中未熔合、未焊透出現(xiàn)率最高［1］。控制焊接質(zhì)量，避免未熔合缺欠產(chǎn)生，對于提高生產(chǎn)效率、保證工程質(zhì)量安全具有重要意義。

本文將通過對電站壓力管道埋弧焊焊縫的無損檢驗跟蹤，分析埋弧焊未熔合缺陷成因，進而優(yōu)化焊接工藝，達到控制焊接質(zhì)量的目的，并歸納總結(jié)出埋弧自動焊避免未熔合缺陷產(chǎn)生的質(zhì)量控制措施。

1 未熔合的檢驗和判定方法

未熔合的檢驗主要以超聲波和射線檢測為主。

A 型超聲波反射法檢測坡口未熔合缺陷，可以根據(jù)坡口類型、工件厚度和超聲波反射波形確定，由于坡口未熔合的缺陷角度和超聲波發(fā)射角度的關系，坡口未熔合多為一次波未能發(fā)現(xiàn)或很低，二次波發(fā)現(xiàn)且波形單一尖銳。由于未熔合為面積型缺陷，有一定長度，平行于焊縫方向移動探頭缺陷波形變化不大（圖1）。由于層間未熔合角度問題，層間未熔合較難被斜探頭檢出，直探頭容易探到層間未熔合，當超聲波垂直入射到其表面時，回波很強，底波明顯降低，甚至消失。

射線檢測坡口未熔合的典型影像是連續(xù)或斷續(xù)的黑線，寬度不一，黑度不均勻，一側(cè)輪廓較齊，黑度較大，另一側(cè)輪廓不規(guī)則，黑度較小，在底片上的位置一般在焊縫中心至邊緣的1/2處，沿焊縫縱向延伸（圖2）。根部未熔合的典型影像是一條細直黑線，線的一側(cè)輪廓整齊且黑度較大，為坡口鈍邊痕跡，另一側(cè)輪廓可能較規(guī)則也可能不規(guī)則，根部未熔合在底片上的位置應是焊縫根部的投影位置，一般在焊縫中間，因坡口形狀或投影角度等原因也可能偏向一邊。層間未熔合的典型影像是黑度不大的塊狀陰影，形狀不規(guī)則，如伴有夾渣，夾渣部位黑度較大，黑度較小時底片上不易發(fā)現(xiàn)。對未熔合缺陷評判，要持慎重態(tài)度，因為有時與夾渣很難區(qū)分，尤其是層間未熔合，容易誤判。一般與夾渣的區(qū)別在于黑度的深淺和外貌形狀規(guī)則等。

圖1 未熔合超聲波形圖

圖2 未熔合射線檢驗典型影像

2 未熔合成因分析

根據(jù)超聲波或射線檢驗結(jié)果定位缺陷位置，對缺陷位置進行碳弧氣刨或打磨解剖，目視觀察并分析缺陷類型。

缺陷形成受以下6個方面因素影響：材料、焊接方法和工藝、應力（設計因素與施工因素影響）、接頭幾何形狀、環(huán)境（介質(zhì)因素、溫度因素影響）、焊后處理［2］。

仔細分析上述各影響因素，對未熔合形成原因進行分析，列出影響未熔合形成的主要因素（表1），針對施工現(xiàn)場逐條對比，確定未熔合產(chǎn)生的根本原因，進而優(yōu)化焊接工藝或加強質(zhì)保管理，以達到控制焊接質(zhì)量的目的。

熔融金屬在與母材熔合過程中因受到輸入能量影響或其他雜質(zhì)阻礙，熔合不能順利進行，就會影響焊接接頭的性能。產(chǎn)生未熔合的主要原因如下：

表1 焊接工藝與未熔合缺陷、焊接技術人員的關系

2.1 焊接準備影響

坡口設計不合理，坡口加工和裝配精度不夠，坡口清理不干凈，焊件邊緣有氧割或碳弧氣刨熔渣，有殘留氧化物鐵皮和碳化物，網(wǎng)路電壓影響，設備運行不穩(wěn)定，環(huán)境溫度不適合等。

2.2 焊接參數(shù)影響

焊接電流小，焊接速度加快，母材未熔化時已被鐵水覆蓋，容易造成未熔合。焊速過低，會使熔融金屬流到電弧下方，電弧不能直達坡口，會出現(xiàn)未焊透、未熔合、夾渣等缺陷。

2.3 焊接過程影響

碳弧氣刨后清根不徹底，雜質(zhì)阻礙母材邊緣與根部之間以及焊層之間的熔合；焊絲未對準焊縫中心；電弧方向不當或電磁偏吹［3］（外界磁場使電弧自身磁場不對稱，無法保持電弧剛直性；焊絲偏離中心線及坡口兩側(cè)不對稱產(chǎn)生的磁偏吹）都會造成未熔合形成。

3 焊接質(zhì)量控制

3.1 環(huán)境因素控制

由于埋弧焊焊接電流大，電弧燃燒時間長，其所消耗的電能較大，因此，埋弧焊機在接入電網(wǎng)前要對電網(wǎng)容量進行校核［4］。為了防止焊接設備對其他電氣設備的影響，也為了焊接規(guī)范參數(shù)的穩(wěn)定，避免網(wǎng)路電壓的影響，最好用專用變壓器供電。變壓器已定的情況下，要避免和其他高負荷工作同時進行作業(yè)，以保證焊接參數(shù)穩(wěn)定。

現(xiàn)場施焊時的環(huán)境因素如風速、濕度、氣溫等也會對焊縫內(nèi)部質(zhì)量的形成產(chǎn)生一定影響。配置溫濕度計，對焊接環(huán)境溫度、濕度定時進行監(jiān)測，使焊接工作在要求的環(huán)境條件下進行。

焊接前確保滾焊臺車、焊機、碳弧氣刨機運行穩(wěn)定良好，走絲準確對中，不偏弧。定期對設備進行檢修及保養(yǎng)，確保設備精度滿足使用要求，對于焊接設備定期檢測儀表，保證焊接參數(shù)準確。

3.2 焊接工藝優(yōu)化

3.2.1 焊前準備

坡口設計合理，保證坡口加工及裝配精度。焊接坡口切割后應保證切割表面光滑，熔渣、毛刺、缺棱及飛濺物用砂輪磨去。

3.2.2 焊接參數(shù)

焊接線能量是焊接過程的重要影響因素，它不但影響峰值溫度的分布和冷卻速度，還影響凝固時間，從而影響金屬焊接接頭的冶金特性和力學性能。焊接線能量由焊接電流、電弧電壓和焊接速度共同控制。焊接電流是決定熔深的主要原因，電流越大，熔深越大。電弧電壓是決定熔寬的主要因素，電壓增加，熔寬增加。焊接速度加快，焊縫熔深和熔寬都減小，母材未熔化時已被鐵水覆蓋，容易造成未熔合。焊速過低，會使熔融金屬流到電弧下方，電弧不能直達坡口，會出現(xiàn)未焊透、未熔合、夾渣等缺陷，因此焊接速度不能過快，也不能過慢。

3.2.3 焊接過程

合理選擇焊絲傾角。保證焊絲對正焊縫中心，發(fā)現(xiàn)偏移及時調(diào)整。埋弧焊前，可用焊條電弧焊或CO2焊打底，底層厚4～5mm，使坡口底端呈圓角。這樣可以消除鈍邊組裝錯邊的影響，消除電磁偏吹，同時也減少了清根工作。背面清根過程中，碳弧氣刨盡量保持均勻的刨削速度。操作者可通過控制刨削速度和等距離弧長，從而獲得均勻光滑的刨槽。氣刨后應用磨光機打磨清除刨槽內(nèi)外的滲碳、滲銅和氧化層等后再焊接。

3.3 質(zhì)量保證控制

焊工上崗前應對其進行有針對性的焊接工藝培訓，提高施工人員質(zhì)量意識，增強焊工與設備的熟悉程度。焊工施焊前，進行全員交底，交底中詳細講解焊接工藝特點及嚴格控制現(xiàn)場焊接工藝的必要性和控制要點。焊工應嚴格按照焊接工藝規(guī)程和指導書操作，嚴格落實三檢制。

焊接工藝參數(shù)經(jīng)過焊接工藝評定合格，工藝指導書具有針對性，規(guī)程詳細準確有效，確保技術人員能夠準確執(zhí)行。

細化操作過程管理，如制定焊接活動檢查表，各崗位人員按職責實施焊前、焊中、焊后檢查，對焊接設備、現(xiàn)場環(huán)境、焊接參數(shù)、焊接熔池觀察等內(nèi)容進行確認并記錄。

質(zhì)檢人員應加大事前預防性檢查力度，將事前活動仔細分解，列出表格，驗證確認。同時注重工藝過程監(jiān)督，發(fā)現(xiàn)問題立刻叫停，及時處理糾正，避免造成嚴重后果。

4 結(jié)語

無損檢測能在壓力管道制造初期埋弧焊焊接質(zhì)量控制中發(fā)現(xiàn)缺陷并加以定性，為下一步改進焊接工藝參數(shù)提供了有價值的參考建議，節(jié)約了制造成本，保證了工程質(zhì)量和進度。

［1］陳伯蠡.焊接工程缺欠分析與對策［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1998.

［2］GB6416—1986 影響鋼熔化焊接頭質(zhì)量的技術因素［S］.

［3］吳敢生.埋弧自動焊［M］.沈陽：遼寧科學技術出版社，2007.

［4］吳志生，楊立軍，李志勇.現(xiàn)代電弧焊接方法及設備［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2010.