预精焊螺旋缝焊管管端缺陷的分析与解决

王晶晶

（山东胜利钢管有限公司，山东 淄博 255082）

预精焊工艺技术（也称“两步法”）是目前世界上螺旋缝埋弧焊管最先进的制管工艺技术［1-2］，该技术有效解决了成型与焊接之间的相互干扰问题，充分发挥了成型和焊接的各自优势，实现了高速成型和低速焊接的有机结合，极大地提高了生产线的产量和产品质量，有效降低了生产成本［3-4］。山东胜利钢管有限公司预精焊分厂自2011 年建成投产以来，已多次进行螺旋缝焊管预精焊生产，但在生产过程中发现，焊管管端缺陷较为严重，对焊管一次合格率及焊管质量影响很大，而且造成不必要的材料损耗。本文对预精焊螺旋缝焊管管端缺陷进行统计分析，提出提高预精焊螺旋缝焊管管端质量的一些措施。

1 预精焊工艺流程

预精焊生产的工艺流程：原材料进厂检验→投料检验→拆卷、对头焊→板材超声波自动探伤→铣边→焊管成型→成型检验→预焊→切管→内清扫→预焊缝检查与修补→焊接引熄弧板→精焊焊接［5］。

2 钢管管端缺陷统计

在预精焊生产Φ1 016.0 mm×15.9 mm、Φ813.0 mm×12.5 mm、Φ813.0 mm×14.2 mm 焊管过程中，通过整理X 射线检验数据，统计一段时间内焊管出现管端缺陷的根数，并计算其占不合格焊管总根数的比例，结果见表1。

从表1 可以看出：焊管管端缺陷严重影响了焊管质量及其合格率，管端缺陷主要包括烧穿、气孔、未焊透、夹渣、焊偏等；在3 种规格出现管端缺陷的焊管中，管端气孔所占比例分别为56.7%、59.0%、62.5%，与其他管端缺陷相比，管端气孔是最严重的管端缺陷。因此，解决管端气孔问题是提高预精焊螺旋缝焊管管端质量的关键。

表1 3 种规格焊管出现管端缺陷的根数及占不合格焊管总根数的比例

3 管端气孔定性分析

3.1 焊接气孔的类型及来源

焊接气孔按其存在位置分为内部气孔和表面气孔［6］，按形成气体的成分分为H 气孔、N 气孔、CO气孔。H 气孔大多数出现在焊缝表面，个别情况下出现在焊缝内部，气孔断面呈螺旋状，内壁光滑，在焊缝表面呈喇叭状开口；N 气孔多在焊缝表面，多数情况下成堆出现；CO 气孔通常出现在焊缝的根部或近表面的部位，且多呈针尖状。

焊接气孔的来源有：①高温时某些气体溶解于熔池金属中，当凝固和相变时，气体的溶解度降低而来不及逸出，残留在焊缝内部的气体，如H2和N2；②由于冶金反应产生的不溶于金属的气体，如CO 和H2O。

3.2 管端气孔分析

预精焊生产过程中，预焊常见的气孔是N 气孔和H 气孔［7］。预焊采用的是CO2气体保护焊，一旦保护气层遭到破坏，大量空气进入焊接区，在电弧高温下，熔池金属对N 有很大的溶解度。但当熔池温度下降时，N 在熔池金属中的溶解度迅速减小，就会析出大量N，若未能逸出熔池，便生成N气孔，如图1 所示。

氢来源于工件、焊丝表面的油污及铁锈，以及CO2气体中所含的水分。油污为碳氢化合物，铁锈是含结晶水的氧化铁［8-11］。它们在电弧的高温下都能分解出H2。H2在电弧中会被进一步电离，然后以离子形态很容易溶入熔池。熔池结晶时，由于H的溶解度陡然下降，析出的H2若不能逸出熔池，则在焊缝金属中形成圆球形的气孔。精焊采用的是埋弧焊，焊剂经过烘干处理，钢板在焊前都要求铣边开坡口，因此钢板上的铁锈（含结晶水）对其影响很小。

图1 预焊N 气孔形貌

在焊接过程中，当焊丝金属中含脱氧元素不足时，就会有较多的C 溶于熔池金属中，熔池中的C与FeO 反应生成CO，当熔池金属凝固过快时，生成的CO 来不及逸出，从而形成CO 气孔。发生的冶金反应［12］如下：

精焊管端气孔产生于焊缝内部，探伤拍片可以看出气孔是单个出现；根据气孔的形态、位置及产生的条件分析可知，精焊管端气孔是CO 气孔。

3.3 管端气孔产生的原因

影响CO 气孔产生的两个主要因素是：焊丝中脱氧元素Si、Mn 含量和钢板表面的氧化铁（主要是Fe3O4，还有少量的Fe2O3）。经过检验，焊丝中Si、Mn 含量均在规定范围之内，而且在生产过程中，只有管端出现CO 气孔；因此，焊丝中脱氧元素Si、Mn 含量并不是主要影响因素。

根据预精焊生产流程，精焊前工序为内清扫，预焊缝检查与修补，焊接引熄弧板。通过跟踪以上流程，发现如下问题：①预焊产生的表面气孔、烧穿等缺陷未及时进行修磨和修补，如图2 所示；②钢管端部内焊缝与熄弧板连接处堆积大量氧化铁铁末，如图3 所示；③钢管管端与引熄弧板连接处，氧化铁铁皮未处理干净，如图3 所示。

由于钢管内焊缝堆积大量的氧化铁末，在焊接时主要是熔池中的FeO 和C 发生上述的还原反应，该反应在熔池处于结晶温度时，进行得比较剧烈，由于这时熔池已开始凝固，CO 不易逸出，于是在焊缝中形成CO 气孔。

图2 预焊缝内表面缺陷

图3 钢管管端连接处的氧化铁铁皮

4 管端气孔的解决措施

根据对管端CO 气孔产生原因的分析，结合预精焊的生产工艺流程，提出以下解决措施［13］：①保证钢管管端预焊焊缝外观质量，修磨或修补断弧、烧穿、表面气孔、焊瘤等缺陷；②清除引熄弧板端面上的氧化铁等杂物和污物；③清除管端预焊缝坡口、母材表面和钢管端面上的飞溅物、氧化铁皮、铁屑及灰尘等杂质；④引熄弧板焊接完成后，修磨引熄弧板对接处内外焊缝，使其与钢管焊缝过渡均匀圆滑，并清除对接时产生的飞溅物、氧化铁皮、铁屑及灰尘等杂质；⑤钢管内表面经风机除尘后，清除管端与引熄弧板对接形成的凹槽处积攒的铁屑、灰尘等杂质。

采取以上工艺措施后，在预精焊机组生产Φ813.0 mm×12.5 mm 焊管过程中，统计了一段时间内焊管管端出现各缺陷的支数，发现出现烧穿10 支、气孔22 支、未焊透48 支、夹渣18 支、焊偏22 支，共120 支。由此可见：管端气孔所占比例为18.3%；与采取预防措施前相比，管端气孔问题得到了明显改善。

5 结 语

焊管管端缺陷直接影响焊管一次合格率及焊管的整体质量，通过采取以上的工艺措施，使焊管的管端气孔得到了有效的解决，从而提高了螺旋缝焊管的整体质量，为生产的顺利进行提供了保障。

［1］ Tuchyin Choy，王奕超，郑利民. PWS 公司螺旋埋弧焊管预精焊生产中的现代化技术［J］. 焊管，2011，34（2）：17-20.

［2］ 杨伟芳，李记科，顾苏民. 高性能油气输送用螺旋缝埋弧焊钢管生产技术［J］. 钢管，2012，41（5）：10-14.

［3］ 刘文友，张晓强. 焊材对螺旋缝预精焊管焊缝组织和性能的影响［J］. 焊管，2011，34（5）：20-23.

［4］ 王晶晶，黄法春，罗天宝. 预精焊机组多丝内焊起弧稳定性问题的研究［J］. 钢管，2014，43（6）：58-60.

［5］ 程绍忠，陈其卫，陈英莲. 螺旋埋弧焊管两步法生产工艺技术的应用探讨［J］. 钢管，2007，36（5）：36-40.

［6］ 崔岩. 谈焊接气孔的成因、危害和防止［J］. 电焊机，1997（4）：45-46.

［7］ 李伟，李忠响. 粗丝CO2气体保护焊在螺旋缝焊管预焊中的应用［J］. 焊管，2013，36（6）：37-42.

［8］ 潘宏伟.CO2气体保护焊的飞溅与气孔［J］.科技风，2009（11）：54.

［9］ 安文海，崔勃，朱健. CO2焊中的气孔成因与防止措施［J］. 品牌与标准化，2012（2）：46-47.

［10］ 牟宗元. RMD 根焊技术中气孔的产生与预防［J］. 石油工程建设，2009，35（6）：52-53.

［11］ 吕新东. 谈乡镇船舶制造焊接质量如何保证［J］. 硅谷，2008（20）：16.

［12］ 马骋，周建桃，王晓明. CO2气体保护焊气孔产生的原因及防止措施［J］. 中国高新技术企业，2010（31）：43-44.

［13］ 王凤成，崔晓峰，王国胜，等.螺旋缝焊管预焊缺陷对精焊质量的影响与控制［J］. 钢管，2012，41（2）：49-52.