焊缝返修焊接工艺研究与实践

邱葭菲，王瑞权

（浙江机电职业技术学院，浙江 杭州 310053）

0 前言

在锅炉压力容器制造过程中，焊接是最主要的加工工艺方法，焊接质量决定着锅炉压力容器的制造质量。在其各类焊缝的焊接中，由于各种原因难免会存在一些超标缺陷，这就要求通过返修加以解决。由于焊缝返修是在产品刚性和拘束度较大的情况下进行，返修焊缝处通常会产生较大的焊接残余应力，并且多次返修不但会造成时间、人力和财力的浪费，更重要的是降低焊接接头性能，降低产品质量，影响安全运行。因此在焊缝返修过程中，研究及制定正确的焊接工艺，在有限的返修次数（如《蒸汽锅炉安全技术监察规程》规定，同一位置返修不应超过三次）内消除焊接缺陷以保证焊缝质量，是锅炉压力容器制造中的重要问题。

1 返修焊接工艺设计[1-2]

1.1 焊接坡口

返修焊接前必须清除焊接缺陷及制备坡口，常用方法是用碳弧气刨或手工砂轮。坡口应尽量制成U形或圆弧底的V形，坡口尺寸在满足方便操作的前提下应越小越好。如缺陷属密集性缺陷，即缺陷有多处且分布位置较近，则可将这些缺陷连接起来制备成一个深浅均匀一致的大坡口。若缺陷属分散性缺陷，即缺陷分布较分散，则宜按各自的状况逐个制备坡口合适。如缺陷为焊接裂纹，为防止在制备坡口及返修焊接中裂纹扩展，还需在坡口制备前在裂纹两端钻上止裂孔。

1.2 焊接方法

锅炉压力容器焊接制造中常用的焊接方法有焊条电弧焊、CO2气体保护焊、手工钨极氩弧焊及埋弧焊等。不管原焊缝采用什么焊接方法，考虑到操作方便及生产效率，返修焊接多采用焊条电弧焊和CO2气体保护焊。若坡口长度较长，尺寸基本一致，并可处于平焊或环焊位置时，也可采用埋弧焊方法。有时为保证根部焊缝质量，也常用手工钨极氩弧焊打底。

1.3 焊接材料

焊接材料因焊接方法不同而异。采用焊条电弧焊返修时，对原焊条电弧焊焊缝一般选用原焊缝焊接所用焊条。需要注意的是，若返修部位刚性大、坡口深、且材料焊接性较差，尽管原焊缝采用的是酸性焊条，此时则仍须选用同一级别的低氢碱性焊条；对原埋弧焊焊缝，一般采用与母材性能相匹配的焊条。焊条直径不宜大，一般不宜超过4 mm，对于第一层焊缝根据返修母材（焊缝）的厚度，最好选择直径φ≤3.2 mm焊条。采用CO2气体保护焊、手工钨极氩弧焊和埋弧焊时，若返修焊接方法与原焊缝相同，一般选用与原焊缝工艺相同的焊接材料；若返修采用与原焊缝不同的焊接方法，则根据母材性能选用相应焊接方法的焊接材料。

1.4 预热、后热与焊后热处理

焊前需预热的母材，考虑到返修焊缝刚性大、焊接残余应力大，其预热温度应比原焊缝预热温度高50℃左右为宜，同时保证层间温度不应低于预热。焊缝返修后，焊缝区域要进行后热处理，加热温度约为350℃，保温1～1.5 h缓冷。对于焊后要求热处理的焊缝应在热处理前返修，否则返修后应重新进行热处理，其工艺与原焊缝基本相同。

2 返修焊接常见缺陷及防止

返修焊接最常见的焊接缺陷是夹渣、未熔合和气孔。

2.1 夹渣与未熔合

返修焊缝产生夹渣与未熔合的原因是焊接电流过小、焊条角度不正确或运条方法不当。防止方法主要有两个：一是适当增大焊接电流，增加电弧在坡口两侧停留时间；二是根据坡口宽窄采用不同运条方法。对于窄坡口（一般指小于或等于3倍焊条直径），采用单道多层焊，用锯齿形或月牙形运条法在坡口两侧稍作停留；对于宽坡口（一般指大于3倍焊条直径），采用多道多层焊，焊条对准坡口凹槽两侧施焊，以保证两侧熔合良好。需要注意的是，不管哪种情况，都要防止焊出中间高、两侧低、有死角的焊道，良好的焊道应是中间低、两侧稍高的凹形焊道。此外采用正确的焊条角度和合适的焊接速度，防止熔渣流到熔池前面，以及使焊条对坡口两侧熔合良好，也能有效防止返修焊缝产生夹渣与未熔合。

2.2 气孔

气孔特别是密集性气孔是返修焊缝中最容易出现的缺陷，出现部位主要在起焊处或接头处，主要是低氢碱性焊条引弧、熄弧方法不正确造成。因为刚引燃电弧时，电弧燃烧不稳定，还没有形成良好的保护气罩，致使周围的空气很容易侵入熔池形成气孔。因此严禁焊工在起焊处或接头处直接引弧焊接。如果便于在返修焊缝两端设引弧板和熄弧板，这是最好的，即在引弧板引弧，在熄弧板熄弧。如果不便于设引弧板和熄弧板，则在起焊处或接头处往前或往后10 mm左右，在没有焊缝的坡口内或多层焊时的前一焊道上划擦引弧，然后再迅速压低电弧运动至起焊处或接头处进行焊接。熄弧时电弧在熄弧部位应停留一段时间并填满弧坑熄弧，或沿焊接反方向回拉一段距离熄弧。此外，对于低氢碱性焊条还要特别注意焊条烘干和短弧操作问题，返修前焊条烘干随用随取，焊接时压低电弧进行短弧焊接。采用气体保护焊时，应注意检查喷嘴是否堵塞，以保证气体畅通。

3 返修焊接的工艺评定

根据锅炉压力容器的安全技术监察规程及相关制造标准要求，受压元件焊缝（包括其返修焊缝）焊接时必须采用评定合格的焊接工艺焊接。因此返修焊缝的焊接工艺也应经过焊接工艺评定。对于返修焊缝的焊接工艺评定，目前生产中有两种错误做法：一是在焊好的试件上用返修方法清除部分焊缝，制备坡口，然后再完全焊好，焊后进行各种检测(包括外观、力学性能、无损探伤等)，最后得出焊接工艺评定报告，认为这就是返修焊缝的焊接工艺评定。二是照搬已评定合格的产品焊缝工艺评定，按其工艺直接进行返修焊缝的返修焊接。

前者关键是混淆了焊接工艺评定的对象。焊接工艺评定对象是焊缝，不管是何种接头形式，何种结构状态，当产品缺陷清除后，若返修焊缝是对接焊缝，就要按对接焊缝对待，根据焊接工艺评定标准中对接焊缝要求进行评定。但只要返修焊缝的重要因素、补加因素与焊制产品的评定合格的焊接工艺相同，那么评定合格的焊制产品的焊接工艺评定就可作为返修焊缝的焊接工艺评定。

后者是没有正确理解焊接工艺评定的目的。焊接工艺评定的目的是验证拟定的焊接工艺的正确性，主要考虑的是焊接接头的力学性能是否符合要求。事实上，焊缝或焊接接头质量不仅与其力学性能有关，而且还与焊接应力状况、变形大小等密切相关。因此尽管有适用于返修焊缝的焊接工艺评定，返修焊接时还必须考虑返修焊缝的特点，编制返修焊缝的焊接工艺指导书或返修焊缝焊接工艺卡来进行焊缝返修。

4 返修焊接工艺要点

（1）碳弧气刨清除缺陷时，每次气刨厚度应小于3 mm，清除缺陷后，要用手砂轮打磨掉渗碳层，直至露出金属光泽。材料焊前需预热时，碳弧气刨前也应预热，预热温度与焊前预热温度相同。

（2）控制返修焊缝的焊接热输入，采用小直径焊条或焊丝、较小的焊接电流、较低的电弧电压等小的焊接参数焊接，以降低返修部位材料塑性储备的消耗。

（3）为降低或减少返修处焊接应力与变形，可采用短段、多层多道、退焊、跳焊等工艺方法施焊，同时注意每层接头要尽量错开。

（4）每焊完一道后，须彻底清渣，特别是焊道与坡口边缘死角，注意填满弧坑，同时用带圆角的尖头小锤锤击焊缝，使返修焊缝产生塑性变形以松弛应力。

（5）焊后修磨返修焊缝，使其与原焊缝宽窄、高低一致，并与母材圆滑过渡。

5 结论

（1）焊缝返修焊接工艺设计包括坡口制备、焊接方法确定、焊接材料选择和预热、后热及焊后热处理工艺制定等。实践证明，只要正确设计焊缝返修焊接工艺，并按其进行焊缝返修，就能提高焊缝返修合格率，保证返修焊缝质量。多年来，根据研究与设计的焊接工艺进行焊缝返修，一次返修合格率达100%。

（2）返修焊接最常见的焊接缺陷是夹渣、未熔合和气孔。产生夹渣与未熔合的原因是焊接电流过小、焊条角度不正确或运条方法不当所致，可采用适当增大焊接电流，增加电弧在坡口两侧停留时间及根据坡口宽窄采用不同运条方法加以解决。在起焊处或接头处出现气孔特别是密集性气孔主要是低氢碱性焊条引弧、熄弧方法不正确造成，可采用正确的引弧、熄弧方法防止。

（3）锅炉压力容器返修焊缝焊接前必须进行工艺评定，但只要返修焊缝的重要因素、补加因素与焊制产品的评定合格的焊接工艺相同，那么评定合格的焊制产品的焊接工艺评定就可作为返修焊缝的焊接工艺评定。但必须考虑返修焊缝的特点，编制返修焊缝的焊接工艺指导书或返修焊缝焊接工艺来进行焊缝返修。

[1]邱葭菲，李慧湘.空气锤缸体裂纹电弧冷焊修复工艺设计与实践[J].焊接技术，2011，40（1）：68-70.

[2]邱葭菲.锅炉压力容器焊接质量控制[J].电焊机，2004，34（5）：1-5.