直缝埋弧焊管焊缝产生咬边缺陷原因分析

王立柱，龚健，孟凡佳，袁超，吴镇宇，秦楠

直缝埋弧焊管焊缝产生咬边缺陷原因分析

王立柱1，龚健2，孟凡佳1，袁超2，吴镇宇1，秦楠1

（1.巨龙钢管有限公司，河北青县062658；2.南京巨龙钢管有限公司，江苏南京210061）

介绍了直缝埋弧焊管产生咬边缺陷的6种情况，并在此基础上分析了咬边缺陷的产生原因，提出具体的控制措施。分析认为：产生咬边缺陷的主要原因是在焊接时熔池受力情况发生改变，导致液态金属流动范围缩小或流动方向改变；通过调整焊接工艺参数、坡口位置、焊丝角度，以及使焊丝轴线与坡口横截面垂直或采用细丝焊接等措施，可减少咬边缺陷。

直缝埋弧焊管；焊缝；咬边；原因分析；液态金属；受力

咬边是焊接过程中常见的缺陷，因焊接参数选择不当，或操作方法不正确，沿焊趾的母材部位产生的沟槽或凹陷叫咬边［1］。咬边缺陷使焊接接头承载截面的几何尺寸发生改变，在缺陷处产生较强的应力集中，降低了接头的承载能力和疲劳强度［2-5］；在腐蚀环境中由于积聚腐蚀物而加速局部腐蚀［6］。在直缝埋弧焊管生产中，通过采取合理的工艺措施来防止产生咬边缺陷，是提高焊接质量的重要途径。

1 生产实例

（1）现象1。在生产Φ508 mm×7.9 mm直缝埋弧焊管初期，管尾焊偏、咬边较多，焊缝窄且高，两条内焊生产的钢管咬边都在同一侧。经调查发现，管端在6点钟位置时，管尾存在焊点偏移，将其都调整至6点钟位置后，再次焊接不再出现焊偏和咬边现象。焊点偏移引起的咬边如图1所示。

（2）现象2。由于某一根焊丝送丝阻力较大或送丝轮打滑，送丝不稳定，引起生产过程中出现焊缝两侧同时咬边或焊缝局部变窄的现象，卡丝引起的咬边如图2所示。调查发现，在调整送丝机构使送丝稳定后，咬边消除。

（3）现象3。采用三丝焊焊接工艺焊接Φ813 mm×12.5 mm直缝埋弧焊管，焊丝均为Φ4.0 mm，三丝电流约500 A。外焊缝边缘常产生单个咬边，粗丝小电流引起的咬边如图3所示。将三丝更换成Φ3.2 mm的焊丝，其他参数不变，再进行焊接，咬边现象消除。

图1 焊点偏移引起的咬边

图2 卡丝引起的咬边

图3 粗丝小电流引起的咬边

（4）现象4。在生产Φ711 mm×11 mm直缝埋弧焊管时，内焊缝出现整根单侧连续咬边现象，焊丝倾斜引起的咬边如图4所示。经调查发现是内焊丝导电杆向一侧倾斜，更换导电杆后咬边消除。

图4 焊丝倾斜引起的咬边

（5）现象5。高速焊引起的咬边如图5所示。在生产Φ711 mm×8 mm直缝埋弧焊管时，焊缝窄且高，两侧产生连续咬边，究其原因是焊速过高，降低焊速后咬边现象消除。

图5 高速焊引起的咬边

（6）现象6。在生产Φ610 mm×12.5 mm钢管时，钢管内焊缝管端和管尾没有咬边，中间咬边多，中间焊缝窄而高。内焊焊点附近磁场强度超过45 Gs。经调查，原因是钢板磁导率偏大，焊接电流产生的磁场强度太高；减小内焊电流，降低焊速后咬边消除。

2 产生原因

熔池中的液态金属在各种力的作用下流动，液态金属除受电弧压力F压的作用外，还受重力F重、电磁力F磁、表面张力F张、等离子流力F离及外力F外的作用，即F合=F重+F压+F离+F张+F磁+F外。

当电弧所受力F合的大小或力的方向发生改变时，液态金属的流动范围或流动方向也会产生变化，导致熔池边缘液态金属减少，产生咬边缺陷。

熔池金属所受重力F重与熔池金属的密度和熔池体积成正比。重力对熔池金属产生的作用与焊接的空间位置有关，在平焊位置时，重力有利于焊缝成形，在其他位置时，重力往往破坏熔池的稳定性使焊缝成形变差［7］。在现象1中，当焊缝存在焊点偏移时，熔池不再处于水平位置，重力使液态金属向下流动，当焊点偏移量较大时，上方的焊缝边缘由于金属的减少而产生咬边［8］。

液态金属流动范围随电弧压力F压增大而增大，随电弧压力减小而减小。电弧形态及焊接规范参数与电弧压力大小有直接关系［8］。电流增大时电弧压力增大；电弧电压升高即电弧长度增加时，电弧压力减小；焊丝直径越小，电弧压力越大。在现象2中，当送丝不稳定送丝阻力增大时，电弧电压升高，电流减小，电弧压力减小，液态金属流动范围减小，不能覆盖到熔池边缘而产生咬边。

高速等离子流力F离对熔滴产生的推力使熔滴沿焊丝轴线方向运动。这种力的大小与焊丝直径和电流大小有密切关系［9］。在现象3中，当焊接电流较小焊丝直径较大时，高速等离子流力对熔滴产生的推力较小，作用在熔池液态金属上的电弧压力也较小，液态金属流动范围小，焊缝产生咬边；当更换成细焊丝后，高速等离子流力对熔滴产生的推力增大，作用在熔池液态金属上的电弧压力也增大，液态金属流动范围增大，从而消除焊缝边缘产生的咬边。在现象4中，导电杆侧弯，焊丝轴线与坡口横截面不垂直，高速等离子流力对熔滴产生的推力方向发生改变，作用在熔池液态金属上的电弧压力方向也发生改变，在焊丝轴线与坡口横截面夹角较小的一侧产生咬边。

在金属熔池中，表面张力F张阻碍熔池金属在电弧压力作用下的流动。在现象5中，相同的电流电压下，随着焊接速度的提高，热输入减小，熔池温度降低，咬边倾向增大［10-13］。降低焊接速度，增大热输入，熔池温度升高，液态金属的表面张力减小，流动范围增大，消除咬边现象。

直流产生的电磁力F磁使液态金属向中间收缩，阻碍液态金属流动。电磁力F磁由公式（1）［14］计算：

式中μ——磁导率，H/m；

I——电流，A；

L——熔池长度，mm；

a——熔池宽度，mm。

由公式（1）可知，电磁力与电流的平方成正比，与钢管的磁导率成正比。在现象6中，由于钢管磁导率大，焊接过程中一丝直流产生的磁场强度高，在熔池中产生较大作用力，阻碍液态金属的流动，使焊缝产生咬边。管端管尾由于磁偏吹影响［15］，熔池金属受到的力有变化，所以不产生咬边。

焊接过程中有外力F外进入熔池，如起弧焊渣黏到导电嘴上掉入熔池产生表面压力，或大颗粒焊渣、焊丝头等重物落入熔池，使熔池受力状态发生改变，也可能导致焊缝产生咬边。

3 防止措施

由以上分析可知，熔池受力的改变是焊缝产生咬边的主要原因。为防止焊缝产生咬边，应对熔池的受力状态进行分析，找出是哪种力的改变导致咬边产生，并针对这种力的状态进行相应调整。

（1）由表面张力产生的咬边，应调整焊接工艺，使焊接熔池有足够的热输入。

（2）由电弧压力产生的咬边，应调整送丝系统或焊接工艺参数，保证电弧稳定燃烧［16］。

（3）由重力产生的咬边，应调整焊接坡口位置，尽量采用水平位置焊接。

（4）由等离子流力产生的咬边，应调整焊丝轴线与坡口横截面垂直或采用细丝焊接。

（5）由磁场力产生的咬边，应调整焊丝角度或焊接电流，采取措施防止磁场干扰，减少磁偏吹。

（6）外力产生的咬边，应查找并消除外力源。

4 结语

焊管生产过程中产生的咬边，大多是由于工艺条件变化导致熔池金属受力状态改变使液态熔池金属的流动方向偏移或流动范围减小，导致熔池边缘不能被液态金属覆盖引起的，通过调整工艺参数，使熔池保证均衡、稳定的受力状态，可以减少焊缝咬边缺陷的产生。

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Investigation of Causes for Defective Undercut of SAWL Pipe

WANG Lizhu1，GONG Jian2，MENG Fanjia1，YUAN Chao2，WU Zhenyu1，QIN Nan1
（1.Julong Steel Pipe Co.，Ltd.，Qingxian 062658，China；
2.Nanjing Julong Steel Pipe Co.，Ltd.，Nanjing 210061，China）

The common six types of the defective undercuts of the SAWL pipe are described here in the paper，based on which the causes for the said defect are investigated.And accordingly，specific preventative actions are proposed.The analysis result reveals that the major cause for the defective undercut of the pipe is that it is the stress changing of the molten bath during welding operation that causes reduction of the molten metal flow area or change of the flow direction.Accordingly，the defective undercut can be lessened by means of such actions as adjusting the process parameters，bevel position，and welding wire angle，and getting the welding wire axis perpendicular to the bevel cross section or adopting some thin welding wire.

SAWL pipe；weld；undercut；investigation of causes；molten metal；loading

TG335.75

B

1001-2311（2016）05-0038-03

2016-03-08；修定日期：2016-06-22）

王立柱（1973-），男，工程师，主要从事直缝埋弧焊管的焊接工艺研究工作。