復(fù)合鋼板臺(tái)階形坡口埋弧焊氣孔缺陷原因分析

王昌盛

（寧波明欣化工機(jī)械有限責(zé)任公司， 浙江 寧波315202）

承壓設(shè)備焊接生產(chǎn)中， 由于下料誤差， 筒體卷圓和封頭壓制中材料會(huì)發(fā)生塑性變形， 組對(duì)尺寸出現(xiàn)偏差， 導(dǎo)致焊接接頭產(chǎn)生錯(cuò)邊， 影響焊縫成形， 導(dǎo)致磁偏吹等焊接缺陷產(chǎn)生。 磁偏吹主要產(chǎn)生于直流電弧焊過(guò)程， 磁偏吹產(chǎn)生原因是接線位置不當(dāng)、 周圍磁場(chǎng)影響、 焊接接頭錯(cuò)邊、 接頭不等厚等[1]。 在復(fù)合板對(duì)接接頭中， 當(dāng)采用臺(tái)階形坡口， 組對(duì)錯(cuò)邊量較大時(shí)， 磁偏吹尤為明顯， 易造成夾渣、 氣孔等缺陷[2]。 本研究通過(guò)焊接試驗(yàn)驗(yàn)證了磁偏吹是導(dǎo)致氣孔產(chǎn)生的主要原因， 通過(guò)調(diào)整電弧高度、 改變坡口形式可防止氣孔產(chǎn)生。

1 焊接氣孔的特點(diǎn)和產(chǎn)生原因

復(fù)合板焊接采用臺(tái)階形坡口是非常成熟的工藝[3-4]， 普通18 mm+3 mm Q345R+S30408 基層進(jìn)行埋弧焊時(shí)， 采用坡口形式如圖1 所示。 在制造復(fù)合板容器時(shí)[5-6]， 由于下料原因， 導(dǎo)致復(fù)合板筒節(jié)與封頭組對(duì)發(fā)生錯(cuò)邊， 如圖2 所示。

當(dāng)基層內(nèi)、 外側(cè)焊接后對(duì)焊縫進(jìn)行100%射線檢測(cè)， 整條環(huán)縫出現(xiàn)5 處密集型氣孔， 氣孔均分布在靠近封頭臺(tái)階坡口下側(cè)的坡口面上， 如圖3所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)坡口示意圖

圖2 錯(cuò)邊坡口示意圖（錯(cuò)邊2.5～3.5 mm）

圖3 焊縫氣孔分布圖

因氣孔為密集型氣孔， 考慮焊劑受潮或坡口有油污、 水分雜質(zhì)引起焊接氣孔的可能性較?。?焊接過(guò)程中焊劑覆蓋電弧厚度適宜， 空氣入侵熔池可能性也不大； 接頭裝配時(shí)， 除有錯(cuò)邊外， 焊接坡口角度、 裝配間隙均符合要求；同時(shí)， 定位焊符合要求， 電流、 電壓、 焊接速度符合工藝要求。 經(jīng)過(guò)對(duì)埋弧焊中常出現(xiàn)氣孔的原因逐條進(jìn)行排查， 且?guī)滋幦毕菪螒B(tài)特征和分布均基本相同， 氣孔產(chǎn)生為偶發(fā)性的可能性并不大。

同時(shí)考慮氣孔為密集氣孔， 與熔化極氣體保護(hù)焊時(shí)熔池混入空氣形成氮?dú)饪妆容^相似。 分析認(rèn)為， 是焊接時(shí)電弧保護(hù)不良或電弧不穩(wěn)定燃燒導(dǎo)致。 埋弧焊中焊接電弧掩埋在焊劑中， 電弧保護(hù)相對(duì)其他焊接方法更有優(yōu)勢(shì)， 且實(shí)際焊接過(guò)程中焊劑覆蓋厚度過(guò)高或過(guò)薄， 擬考慮磁偏吹引起氣孔的產(chǎn)生。 由于埋弧焊接過(guò)程中， 焊劑中有造氣劑， 焊劑顆粒間隙存有空氣， 當(dāng)電弧偏吹導(dǎo)致電弧偏離封頭坡口一側(cè)時(shí)， 在靠近封頭坡口一側(cè)的接頭受熱不均勻， 焊縫金屬凝固較快， 熔池存留時(shí)間較短， 氣體來(lái)不及溢出熔池而殘留在焊縫中形成了氣孔[7-8]。

追溯復(fù)合板的制造工藝， 復(fù)合板成型采用爆炸復(fù)合工藝， 導(dǎo)致不銹鋼層與碳鋼基層在爆炸復(fù)合時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的滑移摩擦， 摩擦引起的靜電造成復(fù)合板帶有磁性， 而在后續(xù)的加工運(yùn)輸過(guò)程中未能消除[9]。 同時(shí)焊接中變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)， 且作用于鐵磁性物質(zhì)的力與磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)梯度 （即沿磁力線方向單位長(zhǎng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度衰減的幅度） 成正比， 在尖銳的部位磁場(chǎng)梯度較大， 磁場(chǎng)強(qiáng)度較大。 在多重因素的疊加下，臺(tái)階尖銳處磁力線更密集， 引起的磁偏吹尤為明顯。

2 焊接工藝試驗(yàn)驗(yàn)證

為模擬產(chǎn)生氣孔的焊接過(guò)程和驗(yàn)證磁偏吹是引起缺陷產(chǎn)生的原因， 利用剩余邊角料制備7 副試板， 試板的尺寸600 mm×130 mm×（18+3）mm。 將試板分成4 組， 對(duì)試板基層采用不同的參數(shù)或結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行焊接試驗(yàn)[10-14]。

2.1 基層采用埋弧焊進(jìn)行焊接

基層按產(chǎn)生缺陷的焊接參數(shù)模擬焊接。 基層組對(duì)設(shè)置3.5 mm 的錯(cuò)邊， 坡口形式為錯(cuò)邊坡口， 焊接2 副試板。 采用設(shè)備出現(xiàn)缺陷時(shí)的焊接參數(shù)， 埋弧焊電流為540～580 A， 電壓34～36 V， 直流反接， 焊接速度50～55 cm/min。2 副試板基層完成焊接后， 進(jìn)行100%射線檢測(cè)， 均出現(xiàn)了1～2 處密集型氣孔， 氣孔產(chǎn)生部位與圖3 一致。

組對(duì)坡口作調(diào)整， 焊接參數(shù)不變。 基層組對(duì)設(shè)置3.5 mm 的錯(cuò)邊， 坡口形式如圖4， 焊接2副試板。 打磨較高臺(tái)階一側(cè)的尖角。 焊后進(jìn)行100%射線檢測(cè)， 2 副試板均未出現(xiàn)氣孔。

圖4 3.5 mm 錯(cuò)邊坡口示意圖

壓低焊接電弧長(zhǎng)度。 基層組對(duì)設(shè)置3.5 mm的錯(cuò)邊。 將埋弧焊導(dǎo)電嘴與工件距離由32 mm調(diào)整為26 mm， 電流為540～580 A， 電壓為32～34 V， 直流反接， 焊速50～55 cm/min。 基層焊后進(jìn)行100%射線檢測(cè)， 2 副試板均未出現(xiàn)氣孔。

2.2 基層采用焊條電弧焊進(jìn)行焊接

基層組對(duì)設(shè)置3.5 mm 的錯(cuò)邊， 焊接1 副試板。 復(fù)合板基層采用手工焊條電弧焊， 焊條選用J507， 直流反接， 在焊接打底及填充焊道時(shí)， 磁偏吹較小， 基層蓋面時(shí)， 當(dāng)電弧接近較高一側(cè)臺(tái)階面時(shí)， 加長(zhǎng)焊接電弧， 發(fā)現(xiàn)電弧有偏離臺(tái)階面現(xiàn)象， 如圖5 所示。 磁偏吹為橫向偏離， 垂直于焊接前進(jìn)方向。 排除試板兩端起弧點(diǎn)和收弧點(diǎn)的磁偏吹， 在其余位置均發(fā)生電弧偏移。 由此可以推斷， 在接頭錯(cuò)邊較高一側(cè)的臺(tái)階處， 作用于焊接電弧的磁場(chǎng)更強(qiáng)， 磁力線更密集， 導(dǎo)致電弧偏離該側(cè)[15]。

圖5 焊條電弧焊在靠近棱角部位的偏吹示意圖

通過(guò)4 組試驗(yàn)對(duì)比， 當(dāng)復(fù)合板采用臺(tái)階形坡口， 組對(duì)發(fā)生錯(cuò)邊時(shí)， 焊接過(guò)程中存在一定的磁偏吹， 主要原因是在錯(cuò)邊臺(tái)階棱角處磁力線較為密集， 電弧在磁場(chǎng)中發(fā)生定向偏離， 焊接接頭較高一側(cè)的母材受熱不集中， 熔池停留時(shí)間較短，造成夾渣、 氣孔等缺陷。

3 結(jié)束語(yǔ)

復(fù)合板臺(tái)階形組對(duì)坡口發(fā)生錯(cuò)邊會(huì)造成電弧焊發(fā)生磁偏吹， 造成氣孔、 夾渣、 未熔合等缺陷。當(dāng)復(fù)合板接頭進(jìn)行組對(duì)焊接時(shí)， 如出現(xiàn)不可糾正的錯(cuò)邊， 通過(guò)壓低焊接電弧、 打磨接頭平滑過(guò)渡可有效地減小磁偏吹， 亦可采用手工焊代替自動(dòng)焊， 人為調(diào)整電弧角度， 控制電弧偏吹。