埋弧焊钢管焊缝表面压坑的产生与预防

文章出处: - 发布时间:2016-05-27 10:11

本文通过对埋弧焊钢管焊缝表面压坑产生机理的分析,阐明了影响焊缝压坑产生的因素,提出了通过合理选择焊剂、焊丝和母材,合理选择焊接参数来减少焊缝压坑的措施。得出了通过选用适当的焊接工艺,可以有效防止焊缝表面压坑的结论。

1前言
        焊缝表面压坑(也称“麻点”、“凹坑”)是指焊缝表面局部低于焊缝正常表面的一种焊缝缺陷,是埋弧焊中常见的一种焊缝表面缺陷。
 

             

图 1 焊缝表面压坑图片

 

  图1给出了常见的焊缝表面压坑形貌。在埋弧焊钢管的生产中,焊缝通常比较长,短的也需一次焊接10m以上,特别是在一步法螺旋埋弧焊钢管的生产中,经常会有一次焊接上千米埋弧焊缝的情况,因此比较容易产生焊缝表面压坑。埋弧焊钢管生产中的焊缝表面压坑通常是以单个的形式出现在焊缝上,也就是说一根有十几到二十几米焊缝的钢管上只有不连续的几个焊缝压坑。但当焊接工艺或材料控制不当时,也会出现连续的焊缝表面压坑,这些压坑只能通过人工打磨或者补焊的方法去除,严重影响焊缝表面质量,降低了生产效率、增加了人工成本。焊缝表面压坑是埋弧焊钢管生产中时常反复出现的焊接问题,由于影响因素比较多,要对其进行完全的事前预防,以及出现焊缝压坑后快速解决问题并不是一件很容易的事情。本文从焊缝压坑的危害,压坑产生过程与影响因素、防止压坑产生的措施等方面探讨其产生和预防。


2焊缝表面压坑的危害
        在一般焊接结构质量标准中,对焊缝表面压坑没有作明确的限制,不作为产品验收的依据。只要焊缝表面压坑不低于母材表面,通常并不将其作为焊缝缺陷,只是认为其影响焊缝表面外观。试验表明焊缝表面压坑本身也不会对焊缝的机械性能产生明显影响。但是压坑除了影响焊缝表面质量外,也会在焊缝压坑处产生一定的应力集中,对焊接产品的防腐性能产生一定的影响,同等条件下焊缝压坑处更易出现腐蚀现象。近年来随着客户对埋弧焊钢管的质量要求进一步提高,焊缝表面压坑对钢管的质量和正常生产造成以下几方面重要影响。

2.1 现在不少用于油气输送的埋弧焊钢管,客户的钢管技术条件中都要求焊缝表面不允许存在>1.5mm的凹坑,因此当焊缝表面压坑深度>1.5mm就必须作为焊缝缺陷进行处理。同时现在的埋弧焊钢管标准或客户的技术条件对钢管补焊焊缝的长度、处数以及补焊焊缝之间的间距都有严格的要求,一根钢管一旦出现几处低于母材的焊缝压坑,很容易造成钢管的降级甚至判废、至少也会增加钢管生产的修补成本。

2.2 由于钢管3PE外防腐技术的广泛应用以及焊缝高度对防腐层减薄的影响,现在的埋弧焊钢管要求焊缝高度要尽可能低一些,以尽可能节省防腐成本。在实际生产中,有些钢管生产厂已将外焊缝余高在不低于钢管母材表面的前提下控制在≤1mm。这时如果焊缝表面压坑的深度>1mm时,就会出现焊缝低于母材的情况,造成严重的焊缝缺陷。

2.3 对于要进行内粉末喷涂和外3PE防腐的埋弧焊钢管,在焊缝表面压坑处容易产生漏点或3PE防腐气泡等防腐缺陷,影响钢管的防腐质量。

       因此,在对钢管焊接质量要求越来越严的今天,对焊缝表面压坑问题应给予足够的重视。


3焊缝压坑的形成机理
       埋弧自动焊由于采用的焊接电流一般较大,而且电弧热量散失少,故焊接熔池温度高而集中,使得熔池和熔滴金属与周围电弧气氛发生剧烈的物理化学反应,如碳的氧化会生成CO气体,同时,在高温溶解于液态金属中的H、N等元素,在熔池温度下降的过程中会因溶解度下降而析出气体。在焊接熔池激烈的对流及熔池的电磁搅拌作用下会把生成的气体带到熔池表面,这些气体成气泡状停留在液态金属和液态熔渣之间的界面上,如果不能克服熔渣层的阻力冲出熔渣层,就会留在熔渣与尚未凝固的金属界面上,在气泡压力的作用下在焊缝金属界面上造成一个压坑,而对应的焊剂熔渣内侧也会产生一个对称的孔洞(如图2所示)。焊缝上形成的压坑大小和深度与熔渣和即将凝固的焊缝之间气泡的大小和压力有关,气泡越大,则焊缝上形成的压坑面积也越大;气泡压力越大,则焊缝上留下的压坑就会越深。压坑的形状多为圆底形,也有一些为椭圆状的长条形。当气泡在水平方向上的受力各向均匀时,产生圆底形压坑,当水平方向各向受力不均匀时产生椭圆形压坑。
 

 

图 2 焊缝表面压坑形成机理


4影响压坑产生的因素
       从压坑形成过程可以看出,焊接熔池中产生的气体越多,越容易产生焊缝压坑;焊剂层和熔渣对气体逸出的阻力越大,气体越不易逸出,越容易产生压坑。因此,寻找影响焊缝压坑产生的因素,也应该从这两方面入手。

4.1 影响气体产生的因素
4.1.1 焊剂的化学成分:焊剂的氧化性越大,焊接熔池中碳的氧化反应就越激烈,越容易产生CO气体。焊剂中的Si、Mn等脱氧剂含量较低时,在埋弧焊接过程中,就会由于脱氧不足而使熔池产生较多的气体,这些都容易导致产生焊缝压坑。

4.1.2 焊剂的生产工艺:熔炼焊剂、烧结焊剂的生产过程中,选择较高的熔炼、烧结温度,有利于有害气体的析出,减少成品焊剂的有害气体及水分,从而减少焊接时气体的产生。

4.1.3 焊丝、母材的化学成分:减少焊丝和母材中碳的含量,提高Si、Mn的含量,可抑制碳的氧化反应,减少压坑的产生。

4.1.4 母材中产生气体的元素含量:钢材在焊接过程中可以产生气体的N、H、O等元素含量越多,则焊接熔池中的H、N和CO气体越多,焊缝就越容易产生压坑。

4.1.5 焊丝、焊剂和母材表面的水分、油污、铁锈、氧化铁、灰尘和其它杂质越多,则焊接中产生的H和CO气体就越多,形成焊缝压坑的可能性就越大。

4.1.6 焊接参数:焊接电流越大,焊接时的冶金反应越激烈,产生的气体就越多。虽然增大焊接电流会使熔池存在的时间延长,增加气体逸出的时间,但增大焊接电流也会使融化的焊剂增多,熔渣层变厚,不利于气体的逸出。所以综合来看,增加焊接电流一般会使焊缝压坑增多。当必须采用大电流焊接时,焊接电流和焊接电压应有恰当的匹配,焊接电压应随焊接电流的增大而增大,以增大弧腔,减少气泡压力。

4.2 影响气体逸出的因素
4.2.1焊接熔渣的粘度:焊渣的粘度越大,气体逸出焊渣层的阻力越大,易产生焊缝压坑。故在保证焊渣对焊缝金属有效保护的前提下,应采用粘度较小的焊剂。

4.2.2焊渣的表面张力:焊渣表面张力越小,越有利于气体的逸出,减少焊缝压坑。

4.2.3焊剂的透气性:焊剂的堆积密度越小,越有利于气体的逸出,减少焊缝压坑。烧结焊剂和浮石状焊剂比玻璃状熔炼焊剂堆积密度小,细颗粒的焊剂比粗颗粒的焊剂堆积密度小。

4.2.4焊剂堆放高度:焊剂的堆放高度越大,对熔池和熔渣之间的气泡压力越大,气泡内部的压力也越大,对熔池表面的金属压力越大,容易形成大而深的压坑。同时,焊剂的堆放高度越大,焊接产生的气体也不易逸出,也易形成压坑。

4.2.5熔池存在的时间:其他条件相同时,熔池存在的时间长,则气泡逸出的时间长,有利于减少焊缝压坑。


5 防止焊缝压坑的措施
根据以上分析,在实际生产中可采取以下措施防止焊缝压坑的产生:
5.1 选择合适的焊剂:在保证焊缝内在质量的前提下,应选用氧化性小、粘度小、表面张力小、堆积密度小的焊剂。如SJ101和SJ301等烧结焊剂就比HJ431、HJ433等熔炼焊剂要好。此外,为提高焊剂的透气性,应选用颗粒度较小的焊剂,特别在大电流焊接时更应如此。焊剂的颗粒要尽可能均匀,颗粒度一般控制在10~60目。不能将粗颗粒焊剂和太细的焊剂混合使用,否则会使焊剂的透气性下降。对于在钢管埋弧焊接中连续循环使用的焊剂,要保证过细的焊剂能够被焊剂回收系统抽走,以保证焊剂颗粒度比较均匀,这一点对颗粒强度较低的烧结焊剂和陶质焊剂尤其重要。同时在焊接脱氧不彻底的A3F或Q235B等钢材时,应选用高Mn高Si焊剂,以加强焊接过程的脱氧作用,减少气体的产生。烧结焊剂应选择烧结温度较高的焊剂,以减少焊剂水份含量。

5.2 正确使用焊剂:焊剂在使用时要保持干净,没有铁锈、灰尘、氧化铁等杂质,对循环使用或回收使用的焊剂必须采取磁选的方法将焊剂中的氧化铁除掉;焊剂在使用前要按规定的温度烘干,保证焊剂中的水分含量,一般焊剂中的水分含量应≤0.1%;埋弧焊接时,在保证不明弧的前提下,要尽量降低焊剂的堆积高度,实践中以焊接时微露弧光为佳。钢管内、外埋弧自动焊接的焊剂都是循环使用的,因此焊接系统应配备带焊剂磁选装置和筛选装置的焊剂回收和供给系统,保证能够去除焊剂中的氧化铁等磁性杂质,并筛选掉焊渣、粉尘和细颗粒焊剂,保持焊剂颗粒的均匀。焊剂供给系统最好还应配备焊剂加热保温装置,对回收和补充的新焊剂进行加热和保温,使焊剂保持在一定的100℃以上,防止循环使用的焊剂回潮。

5.3 合理选择焊丝和钢板:在选材方面,尽可能选择含C、O、N、H等元素低的焊丝和钢板,减少焊接中气体的产生。如果钢板的C、O含量较高,则应选用含有较多脱氧剂如Mn、Si的焊丝。在焊接时将焊丝和钢板焊缝两侧的油、锈、氧化皮和水分彻底清除干净。

5.4 合理选择焊接参数:在保证焊缝质量的前提下,采用较小的焊接电流 ,可减少气体的产生,减少焊缝压坑;适当提高电弧电压可增大弧腔,使焊渣层变薄,弧腔中气体逸出的阻力和气泡压力均会减小,有利于减少焊缝压坑;降低焊接速度可增加液态熔池和低粘度熔渣的存在时间,有利于气体逸出和减少压坑。

5.5 保持合理的焊接倾角:增加下坡焊的角度,会由于熔渣的流动而使焊渣层变薄,有利于减少压坑。在钢管埋弧焊接中,可通过合理调节焊接的偏心距和焊丝倾角来保证在最佳的角度焊接,减少和防止焊缝压坑。


6 总结
       在保证焊缝内在质量的前提下,通过合理选择焊接材料,特别是选择合适的焊剂。同时合理选择和调整焊接工艺参数,可有效减轻或防止埋弧焊钢管焊缝表面的压坑,得到内在质量和外观均优良的埋弧自动焊焊缝。



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