預(yù)精焊螺旋縫焊管管端缺陷的分析與解決

王晶晶

（山東勝利鋼管有限公司，山東 淄博 255082）

預(yù)精焊工藝技術(shù)（也稱“兩步法”）是目前世界上螺旋縫埋弧焊管最先進的制管工藝技術(shù)［1-2］，該技術(shù)有效解決了成型與焊接之間的相互干擾問題，充分發(fā)揮了成型和焊接的各自優(yōu)勢，實現(xiàn)了高速成型和低速焊接的有機結(jié)合，極大地提高了生產(chǎn)線的產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量，有效降低了生產(chǎn)成本［3-4］。山東勝利鋼管有限公司預(yù)精焊分廠自2011 年建成投產(chǎn)以來，已多次進行螺旋縫焊管預(yù)精焊生產(chǎn)，但在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，焊管管端缺陷較為嚴(yán)重，對焊管一次合格率及焊管質(zhì)量影響很大，而且造成不必要的材料損耗。本文對預(yù)精焊螺旋縫焊管管端缺陷進行統(tǒng)計分析，提出提高預(yù)精焊螺旋縫焊管管端質(zhì)量的一些措施。

1 預(yù)精焊工藝流程

預(yù)精焊生產(chǎn)的工藝流程：原材料進廠檢驗→投料檢驗→拆卷、對頭焊→板材超聲波自動探傷→銑邊→焊管成型→成型檢驗→預(yù)焊→切管→內(nèi)清掃→預(yù)焊縫檢查與修補→焊接引熄弧板→精焊焊接［5］。

2 鋼管管端缺陷統(tǒng)計

在預(yù)精焊生產(chǎn)Φ1 016.0 mm×15.9 mm、Φ813.0 mm×12.5 mm、Φ813.0 mm×14.2 mm 焊管過程中，通過整理X 射線檢驗數(shù)據(jù)，統(tǒng)計一段時間內(nèi)焊管出現(xiàn)管端缺陷的根數(shù)，并計算其占不合格焊管總根數(shù)的比例，結(jié)果見表1。

從表1 可以看出：焊管管端缺陷嚴(yán)重影響了焊管質(zhì)量及其合格率，管端缺陷主要包括燒穿、氣孔、未焊透、夾渣、焊偏等；在3 種規(guī)格出現(xiàn)管端缺陷的焊管中，管端氣孔所占比例分別為56.7%、59.0%、62.5%，與其他管端缺陷相比，管端氣孔是最嚴(yán)重的管端缺陷。因此，解決管端氣孔問題是提高預(yù)精焊螺旋縫焊管管端質(zhì)量的關(guān)鍵。

表1 3 種規(guī)格焊管出現(xiàn)管端缺陷的根數(shù)及占不合格焊管總根數(shù)的比例

3 管端氣孔定性分析

3.1 焊接氣孔的類型及來源

焊接氣孔按其存在位置分為內(nèi)部氣孔和表面氣孔［6］，按形成氣體的成分分為H 氣孔、N 氣孔、CO氣孔。H 氣孔大多數(shù)出現(xiàn)在焊縫表面，個別情況下出現(xiàn)在焊縫內(nèi)部，氣孔斷面呈螺旋狀，內(nèi)壁光滑，在焊縫表面呈喇叭狀開口；N 氣孔多在焊縫表面，多數(shù)情況下成堆出現(xiàn)；CO 氣孔通常出現(xiàn)在焊縫的根部或近表面的部位，且多呈針尖狀。

焊接氣孔的來源有：①高溫時某些氣體溶解于熔池金屬中，當(dāng)凝固和相變時，氣體的溶解度降低而來不及逸出，殘留在焊縫內(nèi)部的氣體，如H2和N2；②由于冶金反應(yīng)產(chǎn)生的不溶于金屬的氣體，如CO 和H2O。

3.2 管端氣孔分析

預(yù)精焊生產(chǎn)過程中，預(yù)焊常見的氣孔是N 氣孔和H 氣孔［7］。預(yù)焊采用的是CO2氣體保護焊，一旦保護氣層遭到破壞，大量空氣進入焊接區(qū)，在電弧高溫下，熔池金屬對N 有很大的溶解度。但當(dāng)熔池溫度下降時，N 在熔池金屬中的溶解度迅速減小，就會析出大量N，若未能逸出熔池，便生成N氣孔，如圖1 所示。

氫來源于工件、焊絲表面的油污及鐵銹，以及CO2氣體中所含的水分。油污為碳?xì)浠衔铮F銹是含結(jié)晶水的氧化鐵［8-11］。它們在電弧的高溫下都能分解出H2。H2在電弧中會被進一步電離，然后以離子形態(tài)很容易溶入熔池。熔池結(jié)晶時，由于H的溶解度陡然下降，析出的H2若不能逸出熔池，則在焊縫金屬中形成圓球形的氣孔。精焊采用的是埋弧焊，焊劑經(jīng)過烘干處理，鋼板在焊前都要求銑邊開坡口，因此鋼板上的鐵銹（含結(jié)晶水）對其影響很小。

圖1 預(yù)焊N 氣孔形貌

在焊接過程中，當(dāng)焊絲金屬中含脫氧元素不足時，就會有較多的C 溶于熔池金屬中，熔池中的C與FeO 反應(yīng)生成CO，當(dāng)熔池金屬凝固過快時，生成的CO 來不及逸出，從而形成CO 氣孔。發(fā)生的冶金反應(yīng)［12］如下：

精焊管端氣孔產(chǎn)生于焊縫內(nèi)部，探傷拍片可以看出氣孔是單個出現(xiàn)；根據(jù)氣孔的形態(tài)、位置及產(chǎn)生的條件分析可知，精焊管端氣孔是CO 氣孔。

3.3 管端氣孔產(chǎn)生的原因

影響CO 氣孔產(chǎn)生的兩個主要因素是：焊絲中脫氧元素Si、Mn 含量和鋼板表面的氧化鐵（主要是Fe3O4，還有少量的Fe2O3）。經(jīng)過檢驗，焊絲中Si、Mn 含量均在規(guī)定范圍之內(nèi)，而且在生產(chǎn)過程中，只有管端出現(xiàn)CO 氣孔；因此，焊絲中脫氧元素Si、Mn 含量并不是主要影響因素。

根據(jù)預(yù)精焊生產(chǎn)流程，精焊前工序為內(nèi)清掃，預(yù)焊縫檢查與修補，焊接引熄弧板。通過跟蹤以上流程，發(fā)現(xiàn)如下問題：①預(yù)焊產(chǎn)生的表面氣孔、燒穿等缺陷未及時進行修磨和修補，如圖2 所示；②鋼管端部內(nèi)焊縫與熄弧板連接處堆積大量氧化鐵鐵末，如圖3 所示；③鋼管管端與引熄弧板連接處，氧化鐵鐵皮未處理干凈，如圖3 所示。

由于鋼管內(nèi)焊縫堆積大量的氧化鐵末，在焊接時主要是熔池中的FeO 和C 發(fā)生上述的還原反應(yīng)，該反應(yīng)在熔池處于結(jié)晶溫度時，進行得比較劇烈，由于這時熔池已開始凝固，CO 不易逸出，于是在焊縫中形成CO 氣孔。

圖2 預(yù)焊縫內(nèi)表面缺陷

圖3 鋼管管端連接處的氧化鐵鐵皮

4 管端氣孔的解決措施

根據(jù)對管端CO 氣孔產(chǎn)生原因的分析，結(jié)合預(yù)精焊的生產(chǎn)工藝流程，提出以下解決措施［13］：①保證鋼管管端預(yù)焊焊縫外觀質(zhì)量，修磨或修補斷弧、燒穿、表面氣孔、焊瘤等缺陷；②清除引熄弧板端面上的氧化鐵等雜物和污物；③清除管端預(yù)焊縫坡口、母材表面和鋼管端面上的飛濺物、氧化鐵皮、鐵屑及灰塵等雜質(zhì)；④引熄弧板焊接完成后，修磨引熄弧板對接處內(nèi)外焊縫，使其與鋼管焊縫過渡均勻圓滑，并清除對接時產(chǎn)生的飛濺物、氧化鐵皮、鐵屑及灰塵等雜質(zhì)；⑤鋼管內(nèi)表面經(jīng)風(fēng)機除塵后，清除管端與引熄弧板對接形成的凹槽處積攢的鐵屑、灰塵等雜質(zhì)。

采取以上工藝措施后，在預(yù)精焊機組生產(chǎn)Φ813.0 mm×12.5 mm 焊管過程中，統(tǒng)計了一段時間內(nèi)焊管管端出現(xiàn)各缺陷的支數(shù)，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)燒穿10 支、氣孔22 支、未焊透48 支、夾渣18 支、焊偏22 支，共120 支。由此可見：管端氣孔所占比例為18.3%；與采取預(yù)防措施前相比，管端氣孔問題得到了明顯改善。

5 結(jié) 語

焊管管端缺陷直接影響焊管一次合格率及焊管的整體質(zhì)量，通過采取以上的工藝措施，使焊管的管端氣孔得到了有效的解決，從而提高了螺旋縫焊管的整體質(zhì)量，為生產(chǎn)的順利進行提供了保障。

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