焊缝截面积的测量与应用

（中石化石油机械股份有限公司沙市钢管分公司，湖北荆州 434001）

0.引言

作为输送油气的埋弧焊钢管，包括直缝和螺旋埋弧焊钢管，对焊缝形貌的精确控制一直是生产厂家和业主的持续要求。各钢管厂针对各厂的焊缝形貌进行了持续改善，首先是对焊缝酸洗样横截面积的分析和应用。

一般酸洗时在试样上直接测量实际形貌，采用板尺及游标卡尺。但一旦事后需要测量往往只能通过数码照片进行图片测量，由此带来一些误差。随着工业自动化的推行，对数码图片的处理会更加常见，因此对其中的规律进行分析和优化是企业发展的基本要求。

1.酸洗样形貌

1.1 酸洗样的截面参数

焊缝的坡口和基本形貌见图1。以直缝为例。

图1 焊缝坡口尺寸图

其中，a1,a2为合缝的坡口角度，可直接用铣边坡口角度代替。P为钝边尺寸。B为焊缝宽度，C为坡口高度，H为熔深，δ为余高，1、2分别表示内外焊。e表示重合量。t表示钢管壁厚，C3为预焊缝高度。

作为管线钢材，所加工酸洗样，也称为宏观样、低倍形貌、硬度样。一般冷锯切尺寸为55×25×tmm，在端面经砂轮机磨平，No180和W28砂纸修磨平整后，采用20%硝酸酒精溶液进行腐蚀，即可得到清晰的酸洗样。

在相关的钢管标准API SPEC 5L(46版)和GB/T9711-2017中，也对埋弧自动焊(SAW)焊缝的焊偏进行了规定。通过计算双面焊缝熔合交点双水平线中垂线的距离来确定，这和一般理解的内外焊表面中心间的水平偏移距离不同，后者在X射线检查时更容易直观看到。

根据国家标准和用户技术条件的要求，熔透深度(重合量)≥1.5mm，焊偏≤3.0mm。内外焊余高0mm～3.0mm，重要管线要求外焊余高不超过2.0mm。

1.2 酸洗样测量

下面举2个实例对酸洗样进行测量。数据见 表1、表2、表3。

表1 酸洗样表

表2 酸洗样图表

表3 酸洗样测量表

1.3 数字相片的测量误差分析

从酸洗图中可以看出，直缝预焊的形貌已经被内外焊烧熔，只有内外埋弧焊的形貌。其中后焊的焊缝才具有完整的焊缝熔合线和热影响区。螺旋钢管的内外焊由于处在下坡焊的位置，焊缝形貌与直缝有所不同，内焊往往呈现为马鞍形，内凹不得低于母材。

一般理化室采用数码相机对酸洗好的宏观样进行微距拍照。镜头距离试样表面40mm～60mm，倾斜角度5°～10°以保证照片清晰。数码相机所照的JPG图片经过裁剪和缩小用于宏观报告中。

上述的照相方式会带来两个具体的误差，倾斜误差和广角误差。具体分析如下。对3号酸洗样而言，采用两种不同的数码相机进行照相对比，A采用相机Canon A620，B采用相机Sony W570。前者倾角15°，距离40mm；后者倾角5°，距离60mm。数据见表2、表3。

通过对比各照片和数据，在设定壁厚为标准计算时，可以看出，（1）3A照片清晰，但畸变较大。（2）倾角增大时，内焊宽度、余高大大增加，外焊宽度略大于实际值，外焊余高略有减少。（3）拍照距离应大于60mm，使得试样呈现在相片中心1/2圆直径位置内，以减少周边畸变。

广角畸变则是由于图片占据相机CCD的截面尺寸太大，导致周边发生明显畸变。这需要将试样调整到图片的中心位置，避免试样尺寸过大而变形。

因此，在实际测量时，采用图片测量法时，一般采用板尺对实物余高和熔深同时进行核对，采用游标卡尺对焊缝宽度进行核对。尽量记录准确的焊缝尺寸。控制相机倾角0°～5°，距离60mm～100mm。

如果采用手机进行微距拍照，同样也要进行上述的误差分析。

2.焊缝截面积的计算

2.1 直缝焊缝截面积的计算

直缝的截面积便于计算，可先进行分析。面积可简化为矩形或梯形、三角形等来计算表面积。实测时主观性太大。在焊接自动化不断推进的前提下，需要更为精准的测量方式。

根据酸洗实物，直缝内外焊截面可理论简化为一个表面圆冠，见图2。可根据基本公式r2=(B/2)2+(r-δ)2和表面积 S=r2θ/2-B(r-δ)/2 来进行运算。

图2 圆冠面积计算图

面积计算时需要考虑铣边坡口尺寸，才能计算出熔敷面积。

2.2 螺旋截面积的计算

螺旋的内外焊均处于下坡焊位置，与直缝和试验车间的平焊位置不同。将焊缝表面分为圆滑、鱼脊、盖帽、盖帽圆滑、外表梯形、马鞍形共6个图形，主要是为了较为准确的计算焊缝表面的形状[1]。至于内部焊缝，则可贴近实际形状选择11个点并进行面积计算。螺旋焊缝外焊缝接近于外表梯形，内焊缝往往是马鞍形。

对收集到的多个壁厚的螺旋钢管形貌数据计算见表4。一般仅宽度B和余高δ为已知。

表4 螺旋面积计算表

对比显示，内外焊各3组数据，面积比值A/A0较为整齐，基本上在1.1左右。因此可以采用直缝的面积算法来按比例用于螺旋形貌预计。

3.焊缝截面积数据的应用

3.1 熔合比计算

埋弧焊熔合比的基本公式是：γ=SM/S。其中SM为焊缝中的母材熔化面积，S为焊缝总面积[2]。根据前面的分析，可以计算出几个焊缝的熔合比如表5。

表5 焊缝熔合比表

上表反映出螺旋焊缝的熔合比较大，直缝焊缝的熔合比较小。则焊缝中成分配比由母材和焊丝的成分混合，以及部分烧损造成。这也导致由于直缝中焊丝的有益化学成分分配较多，而使得直缝的焊缝韧性会好于螺旋焊缝。

3.2 焊缝形貌精确预计

经验公式认为，圆冠面积A1=2/3(Bδ)[3]，根据实际的焊缝圆冠参数经过回归分析得到经验公式为：A1=0.21+0.638Bδ[4]。由于焊缝宽度B和壁厚t存在线性增加的经验关系，然后根据回归分析的焊缝熔敷量G即可计算得到预期的焊缝余高。

直缝焊缝余高δ的经验公式如下：

δ=(G/(7.85V)-C2tana-0.21+C3(C3-0.5)tana)/(0.6388B)

式中，δ―焊缝余高(mm)，G―焊丝的熔敷量(g/min)(G=∑kIaUb)，V―焊接速度(m/min)，C―焊缝坡口深度，C3―预焊高度(mm)，a―铣边坡口角度(°)，B―焊缝宽度(mm)。根据用户的要求即可设计的合理规范。

螺旋焊缝余高也可根据前述截面积经验公式推导得到。

4.结论

（1）酸洗样的截面可按实物和照片进行测量，并对图片进行合理的形状选择以计算焊缝截面积。（2）图片酸洗分析结果受到相机倾斜误差和广角误差的影响。（3）截面面积可用于计算熔合比和焊缝形貌精确预计。