复合钢板台阶形坡口埋弧焊气孔缺陷原因分析

2020-02-24王昌盛

焊管 2020年12期

王昌盛

（宁波明欣化工机械有限责任公司，浙江宁波315202）

承压设备焊接生产中，由于下料误差，筒体卷圆和封头压制中材料会发生塑性变形，组对尺寸出现偏差，导致焊接接头产生错边，影响焊缝成形，导致磁偏吹等焊接缺陷产生。磁偏吹主要产生于直流电弧焊过程，磁偏吹产生原因是接线位置不当、周围磁场影响、焊接接头错边、接头不等厚等[1]。在复合板对接接头中，当采用台阶形坡口，组对错边量较大时，磁偏吹尤为明显，易造成夹渣、气孔等缺陷[2]。本研究通过焊接试验验证了磁偏吹是导致气孔产生的主要原因，通过调整电弧高度、改变坡口形式可防止气孔产生。

1 焊接气孔的特点和产生原因

复合板焊接采用台阶形坡口是非常成熟的工艺[3-4]，普通18 mm+3 mm Q345R+S30408 基层进行埋弧焊时，采用坡口形式如图1 所示。在制造复合板容器时[5-6]，由于下料原因，导致复合板筒节与封头组对发生错边，如图2 所示。

当基层内、外侧焊接后对焊缝进行100%射线检测，整条环缝出现5 处密集型气孔，气孔均分布在靠近封头台阶坡口下侧的坡口面上，如图3所示。

图1 标准坡口示意图

图2 错边坡口示意图（错边2.5～3.5 mm）

图3 焊缝气孔分布图

因气孔为密集型气孔，考虑焊剂受潮或坡口有油污、水分杂质引起焊接气孔的可能性较小；焊接过程中焊剂覆盖电弧厚度适宜，空气入侵熔池可能性也不大；接头装配时，除有错边外，焊接坡口角度、装配间隙均符合要求；同时，定位焊符合要求，电流、电压、焊接速度符合工艺要求。经过对埋弧焊中常出现气孔的原因逐条进行排查，且几处缺陷形态特征和分布均基本相同，气孔产生为偶发性的可能性并不大。

同时考虑气孔为密集气孔，与熔化极气体保护焊时熔池混入空气形成氮气孔比较相似。分析认为，是焊接时电弧保护不良或电弧不稳定燃烧导致。埋弧焊中焊接电弧掩埋在焊剂中，电弧保护相对其他焊接方法更有优势，且实际焊接过程中焊剂覆盖厚度过高或过薄，拟考虑磁偏吹引起气孔的产生。由于埋弧焊接过程中，焊剂中有造气剂，焊剂颗粒间隙存有空气，当电弧偏吹导致电弧偏离封头坡口一侧时，在靠近封头坡口一侧的接头受热不均匀，焊缝金属凝固较快，熔池存留时间较短，气体来不及溢出熔池而残留在焊缝中形成了气孔[7-8]。

追溯复合板的制造工艺，复合板成型采用爆炸复合工艺，导致不锈钢层与碳钢基层在爆炸复合时产生强烈的滑移摩擦，摩擦引起的静电造成复合板带有磁性，而在后续的加工运输过程中未能消除[9]。同时焊接中变化的电场产生磁场，且作用于铁磁性物质的力与磁场强度和磁场梯度（即沿磁力线方向单位长度磁场强度衰减的幅度）成正比，在尖锐的部位磁场梯度较大，磁场强度较大。在多重因素的叠加下，台阶尖锐处磁力线更密集，引起的磁偏吹尤为明显。

2 焊接工艺试验验证

为模拟产生气孔的焊接过程和验证磁偏吹是引起缺陷产生的原因，利用剩余边角料制备7 副试板，试板的尺寸600 mm×130 mm×（18+3）mm。将试板分成4 组，对试板基层采用不同的参数或结构形式进行焊接试验[10-14]。

2.1 基层采用埋弧焊进行焊接

基层按产生缺陷的焊接参数模拟焊接。基层组对设置3.5 mm 的错边，坡口形式为错边坡口，焊接2 副试板。采用设备出现缺陷时的焊接参数，埋弧焊电流为540～580 A，电压34～36 V，直流反接，焊接速度50～55 cm/min。2 副试板基层完成焊接后，进行100%射线检测，均出现了1～2 处密集型气孔，气孔产生部位与图3 一致。

组对坡口作调整，焊接参数不变。基层组对设置3.5 mm 的错边，坡口形式如图4，焊接2副试板。打磨较高台阶一侧的尖角。焊后进行100%射线检测， 2 副试板均未出现气孔。

图4 3.5 mm 错边坡口示意图

压低焊接电弧长度。基层组对设置3.5 mm的错边。将埋弧焊导电嘴与工件距离由32 mm调整为26 mm，电流为540～580 A，电压为32～34 V，直流反接，焊速50～55 cm/min。基层焊后进行100%射线检测， 2 副试板均未出现气孔。

2.2 基层采用焊条电弧焊进行焊接

基层组对设置3.5 mm 的错边，焊接1 副试板。复合板基层采用手工焊条电弧焊，焊条选用J507，直流反接，在焊接打底及填充焊道时，磁偏吹较小，基层盖面时，当电弧接近较高一侧台阶面时，加长焊接电弧，发现电弧有偏离台阶面现象，如图5 所示。磁偏吹为横向偏离，垂直于焊接前进方向。排除试板两端起弧点和收弧点的磁偏吹，在其余位置均发生电弧偏移。由此可以推断，在接头错边较高一侧的台阶处，作用于焊接电弧的磁场更强，磁力线更密集，导致电弧偏离该侧[15]。