鉆機(jī)結(jié)構(gòu)件K形坡口全熔透焊縫焊接質(zhì)量控制

楊曉哲

（寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721002）

1 K形坡口全熔透焊縫工藝要求

近幾年，在公司海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)材質(zhì)為Q345D中厚板的焊接多采用承載能力強(qiáng)、無(wú)缺口效應(yīng)的全熔透焊縫（CJP），其焊接坡口形式為45°～55°K形坡口，鈍邊 2 mm，正面焊，背面碳弧氣刨清根，并用砂輪打磨清理后完成焊接，且要求100%UT探傷合格。常見(jiàn)焊縫形式如圖1所示，工件接頭形式如圖2所示。

圖1 焊縫形式示意圖

圖2 工件接頭形式

2 K形坡口全熔透焊縫常見(jiàn)的焊接缺陷

2.1 尺寸缺陷

包括焊接結(jié)構(gòu)的尺寸誤差和焊縫形狀不佳等，焊縫表面凸凹不平、寬度不均、波紋粗大，這些缺陷不僅使焊縫成形不美觀，而且易造成應(yīng)力集中，降低焊材與母材的結(jié)合強(qiáng)度，從而影響焊縫質(zhì)量。

2.2 結(jié)構(gòu)缺陷

主要包括氣孔、夾渣、根部未熔合或未焊透、咬邊、裂紋等，是焊接過(guò)程中最容易出現(xiàn)的缺陷，這些缺陷的存在不僅降低了焊接接頭的力學(xué)性能，而且造成應(yīng)力集中，易形成裂紋，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，使焊接結(jié)構(gòu)無(wú)法承受正常載荷。

3 K形坡口全熔透焊縫質(zhì)量缺陷原因分析

（1）打底焊采用富氬混合氣體保護(hù)焊（80%Ar+20%CO2），如圖3所示。由于噴嘴直徑相對(duì)較大，焊絲不易伸入到接頭根部，易造成根部未熔合。

圖3 富氬混合氣體保護(hù)焊示意圖

（2）采用富氬混合氣體保護(hù)焊打底時(shí)，焊絲伸出長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，不符合工藝要求，致使氣體保護(hù)不到位，易產(chǎn)生氣孔；另外，焊絲伸出長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，焊接電流變小，易引起未焊透，電弧不穩(wěn)；焊絲伸出長(zhǎng)度較短時(shí)，噴嘴易粘附飛濺，導(dǎo)電嘴易損壞，看不清焊接電弧，焊槍無(wú)法擺動(dòng)，同時(shí)，焊絲伸出長(zhǎng)度短，焊接電流增大，弧長(zhǎng)變小，熔深變深，而且焊絲不易于伸入到接頭根部。

（3）電弧電壓和焊接電流的影響。電弧電壓是短路過(guò)渡的關(guān)鍵參數(shù)，短路過(guò)渡的特點(diǎn)是：采用較低電壓，電弧電壓與焊接電流相匹配，可以獲得飛濺少、焊縫成形良好的穩(wěn)定焊接過(guò)程。

焊接過(guò)程中合理控制電弧長(zhǎng)度是保證焊縫質(zhì)量穩(wěn)定的重要因素。電弧電壓主要由電弧長(zhǎng)度決定，電弧長(zhǎng)度越大，電壓越高；電弧長(zhǎng)度越短，電壓越小。電弧過(guò)長(zhǎng)對(duì)熔化金屬保護(hù)差，空氣中的O、H、N等有害氣體容易侵入，使焊縫易產(chǎn)生氣孔，金屬的力學(xué)性能降低；若弧長(zhǎng)過(guò)短，電弧對(duì)溶池的表面壓力過(guò)大，使熔池中氣體及熔渣上浮受阻，從而引起氣孔、夾渣等缺陷的產(chǎn)生。

焊接電流大小選擇恰當(dāng)與否直接影響到焊后的焊縫質(zhì)量。焊接電流過(guò)大，雖然可以提高生產(chǎn)效率，并使熔透深度增加，但易出現(xiàn)咬邊、焊穿，增加焊件變形和金屬飛濺，也會(huì)使焊接接頭的組織由于熱量過(guò)大而變化，并增大氣孔傾向；電流過(guò)小使電弧不穩(wěn)、熔深減小，易出現(xiàn)未焊透、成形不良、夾渣等缺陷。

4 防止K形坡口全熔透焊縫缺陷的措施

4.1 做好焊前準(zhǔn)備

（1）在工件上加工相應(yīng)的坡口和鈍邊，坡口角度在45°～60°較合適。清理焊縫周圍（焊道兩邊30 mm以內(nèi)）母材上的鐵銹及油污，直至露出金屬光澤。工件裝配定位焊接時(shí)，按規(guī)定留出間隙（預(yù)留4～5 mm），以保證根部熔透。為了便于操作，定位焊點(diǎn)在焊縫的兩端，防止收縮變形，造成尺寸誤差。

另外，由于大坡口焊縫在焊接及清根過(guò)程中，熱輸入量過(guò)大會(huì)產(chǎn)生焊接變形。因此，需要將對(duì)稱工件背對(duì)背點(diǎn)焊牢固，焊接工裝控制變形，以達(dá)到控制反變形目的（如圖4和圖5所示）。

（2）對(duì)焊縫根部及拐角處砂輪無(wú)法清理部位，采用機(jī)加絞刀安裝在角磨機(jī)上進(jìn)行清理，清理效果顯著，保證了焊縫內(nèi)在質(zhì)量，為全熔透焊縫超聲波探傷（UT）奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖4 背對(duì)背點(diǎn)焊

圖5 工裝固定

4.2 選擇合理焊接方法和工藝要求

由于采用焊條電弧焊時(shí)，焊條可以伸入接頭根部（如圖6所示），還可以在小范圍內(nèi)調(diào)整焊接角度，能很好地保證接頭根部質(zhì)量。經(jīng)過(guò)多次實(shí)踐，我們決定對(duì)坡口深度大于12 mm的焊縫，采用焊條電弧焊打底+富氬混合氣體填充、蓋面。為了保證熔透，采取小鈍邊（0～1 mm），先用焊條電弧焊后，背面碳弧氣刨清根，然后焊條電弧焊打底，富氬混合氣體保護(hù)焊填充、蓋面。經(jīng)多次試驗(yàn)后，得出最佳工藝參數(shù)，見(jiàn)表1。

圖6 焊條電弧焊示意圖

表1 最佳焊接工藝參數(shù)

4.3 焊后不去除工藝撐（工裝）進(jìn)行去應(yīng)力處理

為了消除焊后工件產(chǎn)生大的內(nèi)應(yīng)力，采用整體高溫回火，即將構(gòu)件整體加熱到600～650℃。在這樣的溫度下，其屈服點(diǎn)降低，內(nèi)部由于應(yīng)力的作用而產(chǎn)生一定的塑性變形，然后再緩慢冷卻下來(lái)，從而使應(yīng)力得到消除。整體焊后熱處理，一般可將80%～90%的殘余應(yīng)力消除掉，減少焊后工件變形。

5 結(jié) 論

采用上述焊接工藝和操作方法焊接K形坡口全熔透焊縫，既保證了焊接質(zhì)量，又控制了焊接變形，產(chǎn)品的一次探傷合格率從以前的50%提高到了90%以上，進(jìn)一步降低了焊縫返修率，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了制造成本。

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