管道自动焊常见缺陷产生原因及防治措施

管道自动焊常见缺陷产生原因及防治措

摘要：西气东输管道工程焊接工作量大，焊接质量要求高，采用自动焊的总里程数超过("")*。通过对西气东输管道工程自动焊机组的长期跟踪，了解并掌握了经常出现的几种焊接缺陷，文章以西气东输管道工程第’+标段山西临汾现场自动焊接为例，详细分析了未熔合、气孔、余高超标、咬边和迸丝产生的原因，并结合现场的具体情况，针对每种焊接缺陷提出了切实有效的防治措施，进一步提高了焊接质量和施工效率。 0 引言西气东输管道工程是国家重点工程，主线路全长4000km)*，其特点是口径大（1016mm ）、管壁厚（’14.6-26.2）、钢级高（API Spec 5L X70）、压力高

（10MPa ），这在我国管道建设史上尚属首次。由于焊接工作量巨大，焊接质量要求高，因此在较平坦的区段采用了自动焊技术。采用自动焊的总里程超过800km 。自动焊技术在长输管道施工中的规模化应用，对大多数施工单位来说是一项全新的焊接工艺。在焊接过程中，焊接机头沿着安装在管道上的轨道行走，焊工通过操作盒进行参数设置，焊接过程是在自动控制下完成的。因此，自动焊可大大降低人为因素的影响，并且劳动强度低，焊缝质量好，焊接效率高。由于各施工单位都是初次接触和使用自动焊设备，因操作使用不当，有时也出现一些缺陷和问题，既影响焊缝质量，又影响工程进度，同时影响自动焊技术高效率特性的发挥。我们通过对西气东输管道工程中自动焊机组的长期跟踪，对焊接施工中出现的缺陷进行了分析研究，提出了相应的措施，焊接质量和工程进度得到了保证，为今后的施工积累了经验。

本文以西气东输管道工程第17标段山西临汾现场自动焊接为例，分析焊接缺陷产生的原因，并提出防治措施。

西气东输管道工程第17标段（山西临汾段），管材规格为1016*14.6mm，部分地段为1016*17.5mm，材质为X70钢。管道的坡口为单"V" 型，采用STT 半自动焊封底，焊丝为JM-58(，直径为1.2mm ，100%CO2保护；填充和盖面采用自动焊，焊丝为JM-68(，直径为1.0mm ，混合气体保护（20%CO2+80%Ar）。自动焊采用的是填充3层或4层、盖面1层的多层下向焊方法。在施工初期，出现的主要问题有：未熔合、气孔、余高超标、咬边和迸丝。

1 常见缺陷的原因分析及防治措施

1.1 未熔合

是一种几乎没有厚度的面状缺陷，其直接危害是减少截面，增大应力，对承受疲劳、经受冲击、应力腐蚀或低温下工作都非常不利。未熔合是由于电弧未能直接在母材上燃烧，焊丝熔化的铁水只是堆积在上一层焊道或坡口表面上而形成的。主要形式有层间未熔合和单侧点状未熔合，并出现在平、立焊位置，长度不一，最长可达到100mm 左右。

未熔合是由以下几方面原因造成的：

（1）焊接速度慢。如图1（b ）所示，由于焊接速度慢，电弧不能在上一层焊缝上燃烧，而是在熔池内的铁水上燃烧，焊丝熔化的铁水向前流淌，铺在上层焊缝上，这就造成了层间未熔合。

（2）焊枪角度不正确。如图2中（b ）所示，焊枪所处的角度是不正确的。在此状态下焊接，&&第!" 卷第! 期熔池中铁水在电弧吹力作用下向前流淌，铺盖在电弧的前方，致使电弧不能在上一层焊缝上燃烧，造成层间未熔，并且随着角度的增大，铁水流淌更加严重，焊缝无法成型。

（3）焊接跟踪不准确。在焊接过程中，由于焊工观察位置、角度的变化，在电弧摆动中心和坡口焊缝中心不重合时，就会使电弧只能在坡口的一侧燃烧到位，在另一侧燃烧不到位，铁水只堆积在不到位的一侧，这样就产生了单侧未熔合，如图3所示。

（4）焊枪在端部的停留时间短。焊缝是由焊枪在坡口内边摆动、边移动施焊完成的。由于焊枪在端部的停留时间不足，电弧尚未将根部彻底熔透就摆动移向另一端，这样就在此处产生单侧未熔合。

根据以上4种原因，采用下列措施，成功地避免了未熔合的产生。

（1）适当加快焊接速度，使焊接电弧在正常焊接状态的位置上燃烧（如图1（b ）所示）。

（2）必须将焊枪调至图2（a ）所示正确的焊接角度，焊枪与管道的法线形成0-10度角。

（3）应保持相对固定的观察位置和角度进行焊接跟踪。

（4）适当增加焊枪在两端的停留时间。

1.2 气孔

是自动焊在现场出现的主要焊接缺陷之一，是焊缝金属凝固过程中由于侵入气体而形成的气囊或空穴。因其酿成了结构的不连续性，就会削弱焊缝金属的机械强度，降低结构的气密性、水密性等。气孔多出现在平、立位置的焊缝接头处，从) 射线相片上反映出以密集气孔偏多。经检查分析，发现形成气孔有以下3方面的原因：（1）防风棚漏风。气体保护焊的最大缺点是抗风能力差，所以工程上所使用的管道自动焊设备均是在防风棚内作业的，虽有“全天候”之称，然而，当风速高、棚底所在的地面不

平时，就会在防风棚的两侧包裹管道的帆布帘处及底部漏风。风吹到焊枪就会吹散保护气体，电弧和熔池失去了保护，导致在焊缝中产生气孔。

（2）保护气体流量过小。管道自动焊所用的保护气体为富氩混合气体

（8%Ar+20%CO2），流量为20L/min，可获得最佳的保护效果、焊缝成型和质量。然而在焊接过程中，控制电缆中的气管受到踩踏、碾压或折成死弯时，造成气管堵塞或破损漏气，这样在电弧熔池处没有保护气体或气体流量过小（小于15L/min），电弧熔池不能得到很好的保护，就会产生气孔。

（3）焊前检气时间不足。在焊接起弧之前，焊枪头部及附近的气管内已不是所需的保护气体，而是空气，必须将此处的空气经检气完全排出后，方可起弧焊接。停焊时间越长，空气在气管内占有量就越多，所需的检气时间就越长。

为此采取了以下5个方面的防治措施：

（1）防风棚两侧的帆布帘包裹管道后，再用绳索加以捆绑。

（2）棚底四周加上帆布帘，并用沙土压牢。

（3）把控制电缆小曲率地盘挂在防风棚侧壁上。

（4）经常查看流量计，确定气体流量是否达到要求。在气管破损处用胶布缠堵，对破损严重的气管，进行整管更换。

（5）每次焊接起弧之前，检气时间不得小于5s 。通过这些措施的实施，有效地抑制了气孔的产生，提高了一次合格率。

1.5 焊缝余高

超标是指焊缝表面上的金属超过了规定的需要量，余高超标不仅造成经济上的浪费、外形不美观，而且还是一个应力增值源。主要影响焊缝的疲劳寿命，随着余高高度的增加，焊缝的疲劳强度会急剧下降。

在施工中，平、立焊位置的焊缝余高符合标准要求。由于仰焊位置的特殊性（熔滴受电弧吹力和重力两个相反方向力的作用，只有电弧吹力大于重力时，才能过渡到熔池内），导致熔滴过渡较慢，电弧燃烧时间长，熔池的热输入大，增强了铁水的流动性，使铁水由两侧向中间堆积下坠，因此在焊缝的中心形成一个脊梁背，特别是在7点钟的部位，这种情况会更加严重，其高度大部分在3.0-3.5mm ，个别地方甚至达到了4.0mm 。虽进行了打磨，但与平、立焊位置焊缝比较，外观相当差，并耗费人力和物力。

通过以上具体分析，制定了以下几个方面的防治措施，使焊缝余高达到了标准要求。

（1）在最后一遍填充后，给盖面留,1.5mm 的量（如图4所示）。

（2）控制盖面焊电流为,160-170A ，电压18.8V 。

（3）摆幅、摆速和停留时间均增加10-20%

（4）电感量在原来的基础上降低10%。

（5）焊丝干伸长控制在7-10mm 范围内。

（6）保持正确的观察角度。

1.4 咬边

属焊缝成形缺陷之一，是由母材金属损耗引起的、沿焊缝焊趾产生的沟槽或凹缝，是电弧冲刷或熔化了近缝区母材金属后，又未能填充的结果。咬边严重影响焊接接头质量及外观成型，使得该焊缝处的截面减小，容易形成尖角，造成应力集中，该处断裂的可能性最大。 由于仰焊位置的特殊性（在电弧吹力克服熔滴重力之后，熔滴方可向熔池过渡），因此在盖面的仰焊部位极易造成咬边。从仰焊位可直接观察到在焊缝两侧呈现断续、由浅至深的咬边，深度0.2-0.7mm ，而局部点接近1.0mm ，集中在5-7点钟区间，大约300mm 长的范围内，属于典型的宽型咬边。造成这类咬边的原因有以下几种：（1）焊接电流。焊接电流对咬边影响最大，大电流时，虽电弧吹力大，熔深大，焊丝熔敷率高，但同时热输入大，熔池内铁水温度高、流动性好，向焊缝中心流动。当电弧移走之后，致使熔池内无铁水或铁水少，此时电弧在母材上（即坡口边缘处）烧出一个弧坑，形成咬边。

（2）回路中电感。短路过渡要求焊接回路中有合适的电感量，用以调节短路过渡电流的增长速度（di/dt），控制焊接过程中的飞溅量及电弧燃烧时间。通常细丝气保护焊，焊丝熔化速度快，熔滴过渡周期短，需要较大的短路过渡电流的增长速度。在仰焊时，较大的电感使得熔滴过渡频率低，燃弧时间长，电弧移动至坡口两侧时，熔池内的铁水就向焊缝中心流动而形成咬边。

（3）操作参数（摆幅、两端停留时间及偏移）。

a 摆幅。如果摆幅小，电弧就烧不到坡口的棱沿上，只在坡口面上烧一个弧坑，从而导致咬边（如图5所示）。b 两端停留时间。如果在最后一遍填充完成之后，给盖面留有较大的余量时，就应保证电弧在坡口两端有足够的停留时间，否则，焊丝熔化的量不足以填满熔池，这样就会在焊缝外两侧形成咬边。

c 偏移。偏移是用以焊接跟踪的，如果观察的角度不对，就会产生视觉误差，而做出错误的判断和调整，使电弧在一边能够烧到位，而在另一边就烧不到位，在电弧烧不到位的一侧就会产生咬边。

咬边的防治措施与余高超标的防治措施一致。

1.5 迸丝

迸丝是在焊接状态下，焊丝接触到母材之后，焊丝干伸长部分发生的爆断现象。迸丝使电弧无法形成，不能实施正常的焊接工作。它是由电弧电压低造成的。从公式：U 空载=U电弧+U线损可以看出，在焊接电流的回路中，应尽可能减小U 线损，使U 电弧接近U 空载，保持电弧稳定，从而可以避免迸丝。

在整个焊接回路中，从焊接电源引出的焊接电缆（截面50平方毫米，长8m ）、地线电缆（截面50平方毫米，长5m ）并不长，线上的电压损失很小，不足以造成迸丝。经过进一步的检查分析，发现问题出在地线上，有以下几方面的原因：

（1）在整个地线电缆上有4个接头，接头形式均为螺栓、螺母联结，导电面积小，电压损失大。在长时间、大电流的焊接过程中，接头处严重发热，达到烫手的程度，预计温度在50以上。

（2）地线板与母材的接触形式如图6所示。从图（6）a 可见，在填充第1、2层时，地线板在管道坡口内的接触点较多，导电性能较好，分压小，很少出现迸丝；从图6（b ）可见，在第3层填充和盖面焊接时，地线板在焊缝上接触点较少，导电性能差、分压大，所以频繁出现迸丝。

（3）地线板与母材接触不紧密，在接触点处有过热烧红现象，致使U 线损增大，U 电弧减小而产生迸丝。

针对以上原因，采取了以下措施：

（1）将地线电缆接头减少为2个，采用铜鼻子和地线板直接相贴的形式。

（2）将地线板的厚度由原来的,6mm 增加到16mm ，增加接触点。

（3）在地线板上加一重物，使地线与管道坡口能够紧密接触。

通过以上改进措施的实施，再未产生过迸丝，电弧稳定，焊接连续正常。

2结束语

通过对所出现的各种问题的检查分析，在采取了有针对性的防治措施之后，有效地控制了缺陷的再次发生，使管道自动焊的优势（高质量、高效率）得到充分发挥，焊缝的外观成型美观，一次合格率达98%以上，焊接质量及施工效率得到进一步提高。