埋弧焊的未熔合缺陷成因分析及質量控制

李宏巖

（中國核動力研究設計院，四川 成都610000）

0 引言

在焊接金屬熔合面或連接的焊道之間沒有熔合出現的焊接不連續被稱為未熔合。按位置可將未熔合分為層間未熔合、坡口未熔合和焊縫根部未熔合；按狀態可將未熔合分為白色未熔合與黑色未熔合，白色為不含有夾渣的純氣隙的未熔合，而黑色的為含有夾渣的未熔合。焊接未熔合在檢驗規范中均屬于不允許的缺陷，坡口未熔合和根部未熔合明顯減小了承載截面積，應力集中比較嚴重，其危害性僅次于裂紋。一旦漏檢未及時修復，設備服役承壓狀態下會發生開裂、層間撕裂，最終造成設備泄漏甚至爆裂等安全事故。

未熔合在自動焊中出現的射線缺欠率為30%～60%，超聲探傷缺欠出現率為50%～60%，所有缺欠類型中未熔合、未焊透出現率最高［1］?？刂坪附淤|量，避免未熔合缺欠產生，對于提高生產效率、保證工程質量安全具有重要意義。

本文將通過對電站壓力管道埋弧焊焊縫的無損檢驗跟蹤，分析埋弧焊未熔合缺陷成因，進而優化焊接工藝，達到控制焊接質量的目的，并歸納總結出埋弧自動焊避免未熔合缺陷產生的質量控制措施。

1 未熔合的檢驗和判定方法

未熔合的檢驗主要以超聲波和射線檢測為主。

A 型超聲波反射法檢測坡口未熔合缺陷，可以根據坡口類型、工件厚度和超聲波反射波形確定，由于坡口未熔合的缺陷角度和超聲波發射角度的關系，坡口未熔合多為一次波未能發現或很低，二次波發現且波形單一尖銳。由于未熔合為面積型缺陷，有一定長度，平行于焊縫方向移動探頭缺陷波形變化不大（圖1）。由于層間未熔合角度問題，層間未熔合較難被斜探頭檢出，直探頭容易探到層間未熔合，當超聲波垂直入射到其表面時，回波很強，底波明顯降低，甚至消失。

射線檢測坡口未熔合的典型影像是連續或斷續的黑線，寬度不一，黑度不均勻，一側輪廓較齊，黑度較大，另一側輪廓不規則，黑度較小，在底片上的位置一般在焊縫中心至邊緣的1/2處，沿焊縫縱向延伸（圖2）。根部未熔合的典型影像是一條細直黑線，線的一側輪廓整齊且黑度較大，為坡口鈍邊痕跡，另一側輪廓可能較規則也可能不規則，根部未熔合在底片上的位置應是焊縫根部的投影位置，一般在焊縫中間，因坡口形狀或投影角度等原因也可能偏向一邊。層間未熔合的典型影像是黑度不大的塊狀陰影，形狀不規則，如伴有夾渣，夾渣部位黑度較大，黑度較小時底片上不易發現。對未熔合缺陷評判，要持慎重態度，因為有時與夾渣很難區分，尤其是層間未熔合，容易誤判。一般與夾渣的區別在于黑度的深淺和外貌形狀規則等。

圖1 未熔合超聲波形圖

圖2 未熔合射線檢驗典型影像

2 未熔合成因分析

根據超聲波或射線檢驗結果定位缺陷位置，對缺陷位置進行碳弧氣刨或打磨解剖，目視觀察并分析缺陷類型。

缺陷形成受以下6個方面因素影響：材料、焊接方法和工藝、應力（設計因素與施工因素影響）、接頭幾何形狀、環境（介質因素、溫度因素影響）、焊后處理［2］。

仔細分析上述各影響因素，對未熔合形成原因進行分析，列出影響未熔合形成的主要因素（表1），針對施工現場逐條對比，確定未熔合產生的根本原因，進而優化焊接工藝或加強質保管理，以達到控制焊接質量的目的。

熔融金屬在與母材熔合過程中因受到輸入能量影響或其他雜質阻礙，熔合不能順利進行，就會影響焊接接頭的性能。產生未熔合的主要原因如下：

表1 焊接工藝與未熔合缺陷、焊接技術人員的關系

2.1 焊接準備影響

坡口設計不合理，坡口加工和裝配精度不夠，坡口清理不干凈，焊件邊緣有氧割或碳弧氣刨熔渣，有殘留氧化物鐵皮和碳化物，網路電壓影響，設備運行不穩定，環境溫度不適合等。

2.2 焊接參數影響

焊接電流小，焊接速度加快，母材未熔化時已被鐵水覆蓋，容易造成未熔合。焊速過低，會使熔融金屬流到電弧下方，電弧不能直達坡口，會出現未焊透、未熔合、夾渣等缺陷。

2.3 焊接過程影響

碳弧氣刨后清根不徹底，雜質阻礙母材邊緣與根部之間以及焊層之間的熔合；焊絲未對準焊縫中心；電弧方向不當或電磁偏吹［3］（外界磁場使電弧自身磁場不對稱，無法保持電弧剛直性；焊絲偏離中心線及坡口兩側不對稱產生的磁偏吹）都會造成未熔合形成。

3 焊接質量控制

3.1 環境因素控制

由于埋弧焊焊接電流大，電弧燃燒時間長，其所消耗的電能較大，因此，埋弧焊機在接入電網前要對電網容量進行校核［4］。為了防止焊接設備對其他電氣設備的影響，也為了焊接規范參數的穩定，避免網路電壓的影響，最好用專用變壓器供電。變壓器已定的情況下，要避免和其他高負荷工作同時進行作業，以保證焊接參數穩定。

現場施焊時的環境因素如風速、濕度、氣溫等也會對焊縫內部質量的形成產生一定影響。配置溫濕度計，對焊接環境溫度、濕度定時進行監測，使焊接工作在要求的環境條件下進行。

焊接前確保滾焊臺車、焊機、碳弧氣刨機運行穩定良好，走絲準確對中，不偏弧。定期對設備進行檢修及保養，確保設備精度滿足使用要求，對于焊接設備定期檢測儀表，保證焊接參數準確。

3.2 焊接工藝優化

3.2.1 焊前準備

坡口設計合理，保證坡口加工及裝配精度。焊接坡口切割后應保證切割表面光滑，熔渣、毛刺、缺棱及飛濺物用砂輪磨去。

3.2.2 焊接參數

焊接線能量是焊接過程的重要影響因素，它不但影響峰值溫度的分布和冷卻速度，還影響凝固時間，從而影響金屬焊接接頭的冶金特性和力學性能。焊接線能量由焊接電流、電弧電壓和焊接速度共同控制。焊接電流是決定熔深的主要原因，電流越大，熔深越大。電弧電壓是決定熔寬的主要因素，電壓增加，熔寬增加。焊接速度加快，焊縫熔深和熔寬都減小，母材未熔化時已被鐵水覆蓋，容易造成未熔合。焊速過低，會使熔融金屬流到電弧下方，電弧不能直達坡口，會出現未焊透、未熔合、夾渣等缺陷，因此焊接速度不能過快，也不能過慢。

3.2.3 焊接過程

合理選擇焊絲傾角。保證焊絲對正焊縫中心，發現偏移及時調整。埋弧焊前，可用焊條電弧焊或CO2焊打底，底層厚4～5mm，使坡口底端呈圓角。這樣可以消除鈍邊組裝錯邊的影響，消除電磁偏吹，同時也減少了清根工作。背面清根過程中，碳弧氣刨盡量保持均勻的刨削速度。操作者可通過控制刨削速度和等距離弧長，從而獲得均勻光滑的刨槽。氣刨后應用磨光機打磨清除刨槽內外的滲碳、滲銅和氧化層等后再焊接。

3.3 質量保證控制

焊工上崗前應對其進行有針對性的焊接工藝培訓，提高施工人員質量意識，增強焊工與設備的熟悉程度。焊工施焊前，進行全員交底，交底中詳細講解焊接工藝特點及嚴格控制現場焊接工藝的必要性和控制要點。焊工應嚴格按照焊接工藝規程和指導書操作，嚴格落實三檢制。

焊接工藝參數經過焊接工藝評定合格，工藝指導書具有針對性，規程詳細準確有效，確保技術人員能夠準確執行。

細化操作過程管理，如制定焊接活動檢查表，各崗位人員按職責實施焊前、焊中、焊后檢查，對焊接設備、現場環境、焊接參數、焊接熔池觀察等內容進行確認并記錄。

質檢人員應加大事前預防性檢查力度，將事前活動仔細分解，列出表格，驗證確認。同時注重工藝過程監督，發現問題立刻叫停，及時處理糾正，避免造成嚴重后果。

4 結語

無損檢測能在壓力管道制造初期埋弧焊焊接質量控制中發現缺陷并加以定性，為下一步改進焊接工藝參數提供了有價值的參考建議，節約了制造成本，保證了工程質量和進度。

［1］陳伯蠡.焊接工程缺欠分析與對策［M］.北京：機械工業出版社，1998.

［2］GB6416—1986 影響鋼熔化焊接頭質量的技術因素［S］.

［3］吳敢生.埋弧自動焊［M］.沈陽：遼寧科學技術出版社，2007.

［4］吳志生，楊立軍，李志勇.現代電弧焊接方法及設備［M］.北京：化學工業出版社，2010.