管道实心焊丝自动焊弧坑裂纹的产生及预防

（中国石油天然气管道科学研究院有限公司，河北 廊坊 065000）

0 前言

弧坑焊接裂纹是焊接缺陷的一种，不仅给生产带来许多困难，而且可能会带来灾难性的事故，因此防止产生弧坑裂纹具有重要意义[1]。

1 弧坑裂纹产生原因

焊缝金属结晶时先结晶的金属较纯，熔点较高，后结晶的金属则含有较多杂质（如 S、P、B、Si等），这些杂质熔点较低，且S、P对各种裂纹都较为敏感。在焊缝金属凝固结晶的后期，低熔点共晶往往被排挤在柱状晶体交遇的中心部位，形成所谓的“液态薄膜”，这时焊缝受到拉伸应力作用，往往会使这层富含杂质的“液态薄膜”开裂，形成位于焊缝收弧中心的弧坑裂纹。所以弧坑裂纹的产生是焊缝中存在的液态薄膜和在焊缝凝固过程中拉伸应力共同作用的结果，液态薄膜是内因，拉伸应力是必要条件[2]。

2 弧坑裂纹的理论控制措施

（1）限制钢材及焊材中易偏析元素和有害杂质的含量，减少S、P等元素含量及碳当量[3]。

（2）调节焊缝金属化学成分，改善焊缝组织，细化焊缝晶粒，以提高塑性、减少或分散偏析程度，控制低熔点共晶的有害影响[4]。

（3）采用尽量小的焊接热输入[5]。

（4）通过控制收弧电流、衰减时间、收弧时间等来填满弧坑。

（5）采取各种降低焊接应力的工艺措施。

3 焊接试验及分析

分析长输管道自动焊施工现场的各种影响因素，现场选用的钢材和焊材的杂质元素含量均处于正常控制范围内，因此钢材和焊材的材质不是弧坑裂纹形成的影响因素，焊接工艺参数和焊接设备的收弧控制设置是产生自动焊实心焊丝弧坑裂纹的主要因素[5]。

3.1 调整焊接参数，减小焊接热输入

管道焊接试验坡口示意如图1所示。经过前期的焊接试验发现，实心焊丝在自动焊坡口焊接时弧坑裂纹产生的主要位置在热焊层和后续的填充层之间，尤其是根焊完之后的热焊层最易发生，随着填充层数的增加，出现裂纹的几率越小。尤其在热焊层上最为明显，多数情况下在发生裂纹的焊缝断面上可以看到氧化的色彩。针对热焊层采用不同的焊接工艺参数进行试验，工艺参数如表1所示。

图1 管道实心自动焊坡口示意

通过对热焊层不同工艺方案的焊接试验发现，减小焊接热输入对弧坑裂纹控制不太明显，图2～图4分别为热焊层工艺方案1、2、3对应的实际焊道，方案1、2、3的焊道均出现了收弧裂纹。

表1 热焊层试验工艺参数

图2 方案1焊道

图3 方案2焊道

图4 方案3焊道

3.2 修改焊接电源收弧参数

福尼斯电源的初始收弧参数包括起弧电流、衰减时间、收弧电流、起弧时间和收弧时间。针对上述工艺方案2采用不同的电源收弧参数进行设定和试验，参数如表2所示。

表2 电源收弧参数

经过焊接试验发现，如果衰减时间和收弧时间太短，弧坑裂纹出现的机率就会增加，焊材不同，情况不同。在焊接参数相同的情况下，对调整前后的收弧参数进行试验发现，弧坑裂纹消失，但是出现的弧坑不够圆滑，过于饱满，焊接接头成形不佳，两组收弧参数焊道如图5所示。

图5 焊道成形

通过反复焊接试验最终摸索出了最佳方案，优化后的电源收弧参数如表3所示，采用该参数焊接的焊道如图6所示。由图6可知，弧坑裂纹消失，焊接接头圆滑过渡，成形美观。针对不同的钢材和焊材，收弧参数有少量差异，要结合实际情况进行试验。焊接电源收弧参数的调控界面如图7所示。

表3 优化后的电源收弧参数

图6 优化后的电源收弧参数焊道成形

图7 焊接电源收弧参数调控界面

4 结论

对于管道实心焊丝自动焊产生的弧坑裂纹问题，在排除焊材和管材因素的情况下，焊接工艺参数的改变对弧坑裂纹的影响不明显。焊接电源收弧参数如收弧电流、收弧电流、衰减时间以及滞后送气时间的变化对弧坑裂纹有较大影响，通过合理设定电源收弧参数可以有效避免弧坑裂纹的产生。