管道實(shí)心焊絲自動焊弧坑裂紋的產(chǎn)生及預(yù)防

（中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司，河北 廊坊 065000）

0 前言

弧坑焊接裂紋是焊接缺陷的一種，不僅給生產(chǎn)帶來許多困難，而且可能會帶來災(zāi)難性的事故，因此防止產(chǎn)生弧坑裂紋具有重要意義[1]。

1 弧坑裂紋產(chǎn)生原因

焊縫金屬結(jié)晶時先結(jié)晶的金屬較純，熔點(diǎn)較高，后結(jié)晶的金屬則含有較多雜質(zhì)（如 S、P、B、Si等），這些雜質(zhì)熔點(diǎn)較低，且S、P對各種裂紋都較為敏感。在焊縫金屬凝固結(jié)晶的后期，低熔點(diǎn)共晶往往被排擠在柱狀晶體交遇的中心部位，形成所謂的“液態(tài)薄膜”，這時焊縫受到拉伸應(yīng)力作用，往往會使這層富含雜質(zhì)的“液態(tài)薄膜”開裂，形成位于焊縫收弧中心的弧坑裂紋。所以弧坑裂紋的產(chǎn)生是焊縫中存在的液態(tài)薄膜和在焊縫凝固過程中拉伸應(yīng)力共同作用的結(jié)果，液態(tài)薄膜是內(nèi)因，拉伸應(yīng)力是必要條件[2]。

2 弧坑裂紋的理論控制措施

（1）限制鋼材及焊材中易偏析元素和有害雜質(zhì)的含量，減少S、P等元素含量及碳當(dāng)量[3]。

（2）調(diào)節(jié)焊縫金屬化學(xué)成分，改善焊縫組織，細(xì)化焊縫晶粒，以提高塑性、減少或分散偏析程度，控制低熔點(diǎn)共晶的有害影響[4]。

（3）采用盡量小的焊接熱輸入[5]。

（4）通過控制收弧電流、衰減時間、收弧時間等來填滿弧坑。

（5）采取各種降低焊接應(yīng)力的工藝措施。

3 焊接試驗(yàn)及分析

分析長輸管道自動焊施工現(xiàn)場的各種影響因素，現(xiàn)場選用的鋼材和焊材的雜質(zhì)元素含量均處于正常控制范圍內(nèi)，因此鋼材和焊材的材質(zhì)不是弧坑裂紋形成的影響因素，焊接工藝參數(shù)和焊接設(shè)備的收弧控制設(shè)置是產(chǎn)生自動焊實(shí)心焊絲弧坑裂紋的主要因素[5]。

3.1 調(diào)整焊接參數(shù)，減小焊接熱輸入

管道焊接試驗(yàn)坡口示意如圖1所示。經(jīng)過前期的焊接試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)心焊絲在自動焊坡口焊接時弧坑裂紋產(chǎn)生的主要位置在熱焊層和后續(xù)的填充層之間，尤其是根焊完之后的熱焊層最易發(fā)生，隨著填充層數(shù)的增加，出現(xiàn)裂紋的幾率越小。尤其在熱焊層上最為明顯，多數(shù)情況下在發(fā)生裂紋的焊縫斷面上可以看到氧化的色彩。針對熱焊層采用不同的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，工藝參數(shù)如表1所示。

圖1 管道實(shí)心自動焊坡口示意

通過對熱焊層不同工藝方案的焊接試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，減小焊接熱輸入對弧坑裂紋控制不太明顯，圖2～圖4分別為熱焊層工藝方案1、2、3對應(yīng)的實(shí)際焊道，方案1、2、3的焊道均出現(xiàn)了收弧裂紋。

表1 熱焊層試驗(yàn)工藝參數(shù)

圖2 方案1焊道

圖3 方案2焊道

圖4 方案3焊道

3.2 修改焊接電源收弧參數(shù)

福尼斯電源的初始收弧參數(shù)包括起弧電流、衰減時間、收弧電流、起弧時間和收弧時間。針對上述工藝方案2采用不同的電源收弧參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和試驗(yàn)，參數(shù)如表2所示。

表2 電源收弧參數(shù)

經(jīng)過焊接試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果衰減時間和收弧時間太短，弧坑裂紋出現(xiàn)的機(jī)率就會增加，焊材不同，情況不同。在焊接參數(shù)相同的情況下，對調(diào)整前后的收弧參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，弧坑裂紋消失，但是出現(xiàn)的弧坑不夠圓滑，過于飽滿，焊接接頭成形不佳，兩組收弧參數(shù)焊道如圖5所示。

圖5 焊道成形

通過反復(fù)焊接試驗(yàn)最終摸索出了最佳方案，優(yōu)化后的電源收弧參數(shù)如表3所示，采用該參數(shù)焊接的焊道如圖6所示。由圖6可知，弧坑裂紋消失，焊接接頭圓滑過渡，成形美觀。針對不同的鋼材和焊材，收弧參數(shù)有少量差異，要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行試驗(yàn)。焊接電源收弧參數(shù)的調(diào)控界面如圖7所示。

表3 優(yōu)化后的電源收弧參數(shù)

圖6 優(yōu)化后的電源收弧參數(shù)焊道成形

圖7 焊接電源收弧參數(shù)調(diào)控界面

4 結(jié)論

對于管道實(shí)心焊絲自動焊產(chǎn)生的弧坑裂紋問題，在排除焊材和管材因素的情況下，焊接工藝參數(shù)的改變對弧坑裂紋的影響不明顯。焊接電源收弧參數(shù)如收弧電流、收弧電流、衰減時間以及滯后送氣時間的變化對弧坑裂紋有較大影響，通過合理設(shè)定電源收弧參數(shù)可以有效避免弧坑裂紋的產(chǎn)生。