復合鋼板臺階形坡口埋弧焊氣孔缺陷原因分析

王昌盛

（寧波明欣化工機械有限責任公司， 浙江 寧波315202）

承壓設備焊接生產中， 由于下料誤差， 筒體卷圓和封頭壓制中材料會發生塑性變形， 組對尺寸出現偏差， 導致焊接接頭產生錯邊， 影響焊縫成形， 導致磁偏吹等焊接缺陷產生。 磁偏吹主要產生于直流電弧焊過程， 磁偏吹產生原因是接線位置不當、 周圍磁場影響、 焊接接頭錯邊、 接頭不等厚等[1]。 在復合板對接接頭中， 當采用臺階形坡口， 組對錯邊量較大時， 磁偏吹尤為明顯， 易造成夾渣、 氣孔等缺陷[2]。 本研究通過焊接試驗驗證了磁偏吹是導致氣孔產生的主要原因， 通過調整電弧高度、 改變坡口形式可防止氣孔產生。

1 焊接氣孔的特點和產生原因

復合板焊接采用臺階形坡口是非常成熟的工藝[3-4]， 普通18 mm+3 mm Q345R+S30408 基層進行埋弧焊時， 采用坡口形式如圖1 所示。 在制造復合板容器時[5-6]， 由于下料原因， 導致復合板筒節與封頭組對發生錯邊， 如圖2 所示。

當基層內、 外側焊接后對焊縫進行100%射線檢測， 整條環縫出現5 處密集型氣孔， 氣孔均分布在靠近封頭臺階坡口下側的坡口面上， 如圖3所示。

圖1 標準坡口示意圖

圖2 錯邊坡口示意圖（錯邊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、 水分雜質引起焊接氣孔的可能性較小； 焊接過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， 除有錯邊外， 焊接坡口角度、 裝配間隙均符合要求；同時， 定位焊符合要求， 電流、 電壓、 焊接速度符合工藝要求。 經過對埋弧焊中常出現氣孔的原因逐條進行排查， 且幾處缺陷形態特征和分布均基本相同， 氣孔產生為偶發性的可能性并不大。

同時考慮氣孔為密集氣孔， 與熔化極氣體保護焊時熔池混入空氣形成氮氣孔比較相似。 分析認為， 是焊接時電弧保護不良或電弧不穩定燃燒導致。 埋弧焊中焊接電弧掩埋在焊劑中， 電弧保護相對其他焊接方法更有優勢， 且實際焊接過程中焊劑覆蓋厚度過高或過薄， 擬考慮磁偏吹引起氣孔的產生。 由于埋弧焊接過程中， 焊劑中有造氣劑， 焊劑顆粒間隙存有空氣， 當電弧偏吹導致電弧偏離封頭坡口一側時， 在靠近封頭坡口一側的接頭受熱不均勻， 焊縫金屬凝固較快， 熔池存留時間較短， 氣體來不及溢出熔池而殘留在焊縫中形成了氣孔[7-8]。

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

2 焊接工藝試驗驗證

為模擬產生氣孔的焊接過程和驗證磁偏吹是引起缺陷產生的原因， 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， 對試板基層采用不同的參數或結構形式進行焊接試驗[10-14]。

2.1 基層采用埋弧焊進行焊接

基層按產生缺陷的焊接參數模擬焊接。 基層組對設置3.5 mm 的錯邊， 坡口形式為錯邊坡口， 焊接2 副試板。 采用設備出現缺陷時的焊接參數， 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， 進行100%射線檢測， 均出現了1～2 處密集型氣孔， 氣孔產生部位與圖3 一致。

組對坡口作調整， 焊接參數不變。 基層組對設置3.5 mm 的錯邊， 坡口形式如圖4， 焊接2副試板。 打磨較高臺階一側的尖角。 焊后進行100%射線檢測， 2 副試板均未出現氣孔。

圖4 3.5 mm 錯邊坡口示意圖

壓低焊接電弧長度。 基層組對設置3.5 mm的錯邊。 將埋弧焊導電嘴與工件距離由32 mm調整為26 mm， 電流為540～580 A， 電壓為32～34 V， 直流反接， 焊速50～55 cm/min。 基層焊后進行100%射線檢測， 2 副試板均未出現氣孔。

2.2 基層采用焊條電弧焊進行焊接

基層組對設置3.5 mm 的錯邊， 焊接1 副試板。 復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， 磁偏吹較小， 基層蓋面時， 當電弧接近較高一側臺階面時， 加長焊接電弧， 發現電弧有偏離臺階面現象， 如圖5 所示。 磁偏吹為橫向偏離， 垂直于焊接前進方向。 排除試板兩端起弧點和收弧點的磁偏吹， 在其余位置均發生電弧偏移。 由此可以推斷， 在接頭錯邊較高一側的臺階處， 作用于焊接電弧的磁場更強， 磁力線更密集， 導致電弧偏離該側[15]。

圖5 焊條電弧焊在靠近棱角部位的偏吹示意圖

通過4 組試驗對比， 當復合板采用臺階形坡口， 組對發生錯邊時， 焊接過程中存在一定的磁偏吹， 主要原因是在錯邊臺階棱角處磁力線較為密集， 電弧在磁場中發生定向偏離， 焊接接頭較高一側的母材受熱不集中， 熔池停留時間較短，造成夾渣、 氣孔等缺陷。

3 結束語

復合板臺階形組對坡口發生錯邊會造成電弧焊發生磁偏吹， 造成氣孔、 夾渣、 未熔合等缺陷。當復合板接頭進行組對焊接時， 如出現不可糾正的錯邊， 通過壓低焊接電弧、 打磨接頭平滑過渡可有效地減小磁偏吹， 亦可采用手工焊代替自動焊， 人為調整電弧角度， 控制電弧偏吹。