复合钢板台阶形坡口埋弧焊气孔缺陷原因分析

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]。

图5 焊条电弧焊在靠近棱角部位的偏吹示意图

通过4 组试验对比， 当复合板采用台阶形坡口， 组对发生错边时， 焊接过程中存在一定的磁偏吹， 主要原因是在错边台阶棱角处磁力线较为密集， 电弧在磁场中发生定向偏离， 焊接接头较高一侧的母材受热不集中， 熔池停留时间较短，造成夹渣、 气孔等缺陷。

3 结束语

复合板台阶形组对坡口发生错边会造成电弧焊发生磁偏吹， 造成气孔、 夹渣、 未熔合等缺陷。当复合板接头进行组对焊接时， 如出现不可纠正的错边， 通过压低焊接电弧、 打磨接头平滑过渡可有效地减小磁偏吹， 亦可采用手工焊代替自动焊， 人为调整电弧角度， 控制电弧偏吹。