預精焊螺旋縫焊管管端缺陷的分析與解決

王晶晶

（山東勝利鋼管有限公司，山東 淄博 255082）

預精焊工藝技術（也稱“兩步法”）是目前世界上螺旋縫埋弧焊管最先進的制管工藝技術［1-2］，該技術有效解決了成型與焊接之間的相互干擾問題，充分發揮了成型和焊接的各自優勢，實現了高速成型和低速焊接的有機結合，極大地提高了生產線的產量和產品質量，有效降低了生產成本［3-4］。山東勝利鋼管有限公司預精焊分廠自2011 年建成投產以來，已多次進行螺旋縫焊管預精焊生產，但在生產過程中發現，焊管管端缺陷較為嚴重，對焊管一次合格率及焊管質量影響很大，而且造成不必要的材料損耗。本文對預精焊螺旋縫焊管管端缺陷進行統計分析，提出提高預精焊螺旋縫焊管管端質量的一些措施。

1 預精焊工藝流程

預精焊生產的工藝流程：原材料進廠檢驗→投料檢驗→拆卷、對頭焊→板材超聲波自動探傷→銑邊→焊管成型→成型檢驗→預焊→切管→內清掃→預焊縫檢查與修補→焊接引熄弧板→精焊焊接［5］。

2 鋼管管端缺陷統計

在預精焊生產Φ1 016.0 mm×15.9 mm、Φ813.0 mm×12.5 mm、Φ813.0 mm×14.2 mm 焊管過程中，通過整理X 射線檢驗數據，統計一段時間內焊管出現管端缺陷的根數，并計算其占不合格焊管總根數的比例，結果見表1。

從表1 可以看出：焊管管端缺陷嚴重影響了焊管質量及其合格率，管端缺陷主要包括燒穿、氣孔、未焊透、夾渣、焊偏等；在3 種規格出現管端缺陷的焊管中，管端氣孔所占比例分別為56.7%、59.0%、62.5%，與其他管端缺陷相比，管端氣孔是最嚴重的管端缺陷。因此，解決管端氣孔問題是提高預精焊螺旋縫焊管管端質量的關鍵。

表1 3 種規格焊管出現管端缺陷的根數及占不合格焊管總根數的比例

3 管端氣孔定性分析

3.1 焊接氣孔的類型及來源

焊接氣孔按其存在位置分為內部氣孔和表面氣孔［6］，按形成氣體的成分分為H 氣孔、N 氣孔、CO氣孔。H 氣孔大多數出現在焊縫表面，個別情況下出現在焊縫內部，氣孔斷面呈螺旋狀，內壁光滑，在焊縫表面呈喇叭狀開口；N 氣孔多在焊縫表面，多數情況下成堆出現；CO 氣孔通常出現在焊縫的根部或近表面的部位，且多呈針尖狀。

焊接氣孔的來源有：①高溫時某些氣體溶解于熔池金屬中，當凝固和相變時，氣體的溶解度降低而來不及逸出，殘留在焊縫內部的氣體，如H2和N2；②由于冶金反應產生的不溶于金屬的氣體，如CO 和H2O。

3.2 管端氣孔分析

預精焊生產過程中，預焊常見的氣孔是N 氣孔和H 氣孔［7］。預焊采用的是CO2氣體保護焊，一旦保護氣層遭到破壞，大量空氣進入焊接區，在電弧高溫下，熔池金屬對N 有很大的溶解度。但當熔池溫度下降時，N 在熔池金屬中的溶解度迅速減小，就會析出大量N，若未能逸出熔池，便生成N氣孔，如圖1 所示。

氫來源于工件、焊絲表面的油污及鐵銹，以及CO2氣體中所含的水分。油污為碳氫化合物，鐵銹是含結晶水的氧化鐵［8-11］。它們在電弧的高溫下都能分解出H2。H2在電弧中會被進一步電離，然后以離子形態很容易溶入熔池。熔池結晶時，由于H的溶解度陡然下降，析出的H2若不能逸出熔池，則在焊縫金屬中形成圓球形的氣孔。精焊采用的是埋弧焊，焊劑經過烘干處理，鋼板在焊前都要求銑邊開坡口，因此鋼板上的鐵銹（含結晶水）對其影響很小。

圖1 預焊N 氣孔形貌

在焊接過程中，當焊絲金屬中含脫氧元素不足時，就會有較多的C 溶于熔池金屬中，熔池中的C與FeO 反應生成CO，當熔池金屬凝固過快時，生成的CO 來不及逸出，從而形成CO 氣孔。發生的冶金反應［12］如下：

精焊管端氣孔產生于焊縫內部，探傷拍片可以看出氣孔是單個出現；根據氣孔的形態、位置及產生的條件分析可知，精焊管端氣孔是CO 氣孔。

3.3 管端氣孔產生的原因

影響CO 氣孔產生的兩個主要因素是：焊絲中脫氧元素Si、Mn 含量和鋼板表面的氧化鐵（主要是Fe3O4，還有少量的Fe2O3）。經過檢驗，焊絲中Si、Mn 含量均在規定范圍之內，而且在生產過程中，只有管端出現CO 氣孔；因此，焊絲中脫氧元素Si、Mn 含量并不是主要影響因素。

根據預精焊生產流程，精焊前工序為內清掃，預焊縫檢查與修補，焊接引熄弧板。通過跟蹤以上流程，發現如下問題：①預焊產生的表面氣孔、燒穿等缺陷未及時進行修磨和修補，如圖2 所示；②鋼管端部內焊縫與熄弧板連接處堆積大量氧化鐵鐵末，如圖3 所示；③鋼管管端與引熄弧板連接處，氧化鐵鐵皮未處理干凈，如圖3 所示。

由于鋼管內焊縫堆積大量的氧化鐵末，在焊接時主要是熔池中的FeO 和C 發生上述的還原反應，該反應在熔池處于結晶溫度時，進行得比較劇烈，由于這時熔池已開始凝固，CO 不易逸出，于是在焊縫中形成CO 氣孔。

圖2 預焊縫內表面缺陷

圖3 鋼管管端連接處的氧化鐵鐵皮

4 管端氣孔的解決措施

根據對管端CO 氣孔產生原因的分析，結合預精焊的生產工藝流程，提出以下解決措施［13］：①保證鋼管管端預焊焊縫外觀質量，修磨或修補斷弧、燒穿、表面氣孔、焊瘤等缺陷；②清除引熄弧板端面上的氧化鐵等雜物和污物；③清除管端預焊縫坡口、母材表面和鋼管端面上的飛濺物、氧化鐵皮、鐵屑及灰塵等雜質；④引熄弧板焊接完成后，修磨引熄弧板對接處內外焊縫，使其與鋼管焊縫過渡均勻圓滑，并清除對接時產生的飛濺物、氧化鐵皮、鐵屑及灰塵等雜質；⑤鋼管內表面經風機除塵后，清除管端與引熄弧板對接形成的凹槽處積攢的鐵屑、灰塵等雜質。

采取以上工藝措施后，在預精焊機組生產Φ813.0 mm×12.5 mm 焊管過程中，統計了一段時間內焊管管端出現各缺陷的支數，發現出現燒穿10 支、氣孔22 支、未焊透48 支、夾渣18 支、焊偏22 支，共120 支。由此可見：管端氣孔所占比例為18.3%；與采取預防措施前相比，管端氣孔問題得到了明顯改善。

5 結 語

焊管管端缺陷直接影響焊管一次合格率及焊管的整體質量，通過采取以上的工藝措施，使焊管的管端氣孔得到了有效的解決，從而提高了螺旋縫焊管的整體質量，為生產的順利進行提供了保障。

［1］ Tuchyin Choy，王奕超，鄭利民. PWS 公司螺旋埋弧焊管預精焊生產中的現代化技術［J］. 焊管，2011，34（2）：17-20.

［2］ 楊偉芳，李記科，顧蘇民. 高性能油氣輸送用螺旋縫埋弧焊鋼管生產技術［J］. 鋼管，2012，41（5）：10-14.

［3］ 劉文友，張曉強. 焊材對螺旋縫預精焊管焊縫組織和性能的影響［J］. 焊管，2011，34（5）：20-23.

［4］ 王晶晶，黃法春，羅天寶. 預精焊機組多絲內焊起弧穩定性問題的研究［J］. 鋼管，2014，43（6）：58-60.

［5］ 程紹忠，陳其衛，陳英蓮. 螺旋埋弧焊管兩步法生產工藝技術的應用探討［J］. 鋼管，2007，36（5）：36-40.

［6］ 崔巖. 談焊接氣孔的成因、危害和防止［J］. 電焊機，1997（4）：45-46.

［7］ 李偉，李忠響. 粗絲CO2氣體保護焊在螺旋縫焊管預焊中的應用［J］. 焊管，2013，36（6）：37-42.

［8］ 潘宏偉.CO2氣體保護焊的飛濺與氣孔［J］.科技風，2009（11）：54.

［9］ 安文海，崔勃，朱健. CO2焊中的氣孔成因與防止措施［J］. 品牌與標準化，2012（2）：46-47.

［10］ 牟宗元. RMD 根焊技術中氣孔的產生與預防［J］. 石油工程建設，2009，35（6）：52-53.

［11］ 呂新東. 談鄉鎮船舶制造焊接質量如何保證［J］. 硅谷，2008（20）：16.

［12］ 馬騁，周建桃，王曉明. CO2氣體保護焊氣孔產生的原因及防止措施［J］. 中國高新技術企業，2010（31）：43-44.

［13］ 王鳳成，崔曉峰，王國勝，等.螺旋縫焊管預焊缺陷對精焊質量的影響與控制［J］. 鋼管，2012，41（2）：49-52.