钻机结构件K形坡口全熔透焊缝焊接质量控制

杨晓哲

（宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡721002）

1 K形坡口全熔透焊缝工艺要求

近几年，在公司海洋工程结构设计中，对材质为Q345D中厚板的焊接多采用承载能力强、无缺口效应的全熔透焊缝（CJP），其焊接坡口形式为45°～55°K形坡口，钝边 2 mm，正面焊，背面碳弧气刨清根，并用砂轮打磨清理后完成焊接，且要求100%UT探伤合格。常见焊缝形式如图1所示，工件接头形式如图2所示。

图1 焊缝形式示意图

图2 工件接头形式

2 K形坡口全熔透焊缝常见的焊接缺陷

2.1 尺寸缺陷

包括焊接结构的尺寸误差和焊缝形状不佳等，焊缝表面凸凹不平、宽度不均、波纹粗大，这些缺陷不仅使焊缝成形不美观，而且易造成应力集中，降低焊材与母材的结合强度，从而影响焊缝质量。

2.2 结构缺陷

主要包括气孔、夹渣、根部未熔合或未焊透、咬边、裂纹等，是焊接过程中最容易出现的缺陷，这些缺陷的存在不仅降低了焊接接头的力学性能，而且造成应力集中，易形成裂纹，导致结构破坏，使焊接结构无法承受正常载荷。

3 K形坡口全熔透焊缝质量缺陷原因分析

（1）打底焊采用富氩混合气体保护焊（80%Ar+20%CO2），如图3所示。由于喷嘴直径相对较大，焊丝不易伸入到接头根部，易造成根部未熔合。

图3 富氩混合气体保护焊示意图

（2）采用富氩混合气体保护焊打底时，焊丝伸出长度过长，不符合工艺要求，致使气体保护不到位，易产生气孔；另外，焊丝伸出长度过长，焊接电流变小，易引起未焊透，电弧不稳；焊丝伸出长度较短时，喷嘴易粘附飞溅，导电嘴易损坏，看不清焊接电弧，焊枪无法摆动，同时，焊丝伸出长度短，焊接电流增大，弧长变小，熔深变深，而且焊丝不易于伸入到接头根部。

（3）电弧电压和焊接电流的影响。电弧电压是短路过渡的关键参数，短路过渡的特点是：采用较低电压，电弧电压与焊接电流相匹配，可以获得飞溅少、焊缝成形良好的稳定焊接过程。

焊接过程中合理控制电弧长度是保证焊缝质量稳定的重要因素。电弧电压主要由电弧长度决定，电弧长度越大，电压越高；电弧长度越短，电压越小。电弧过长对熔化金属保护差，空气中的O、H、N等有害气体容易侵入，使焊缝易产生气孔，金属的力学性能降低；若弧长过短，电弧对溶池的表面压力过大，使熔池中气体及熔渣上浮受阻，从而引起气孔、夹渣等缺陷的产生。

焊接电流大小选择恰当与否直接影响到焊后的焊缝质量。焊接电流过大，虽然可以提高生产效率，并使熔透深度增加，但易出现咬边、焊穿，增加焊件变形和金属飞溅，也会使焊接接头的组织由于热量过大而变化，并增大气孔倾向；电流过小使电弧不稳、熔深减小，易出现未焊透、成形不良、夹渣等缺陷。

4 防止K形坡口全熔透焊缝缺陷的措施

4.1 做好焊前准备

（1）在工件上加工相应的坡口和钝边，坡口角度在45°～60°较合适。清理焊缝周围（焊道两边30 mm以内）母材上的铁锈及油污，直至露出金属光泽。工件装配定位焊接时，按规定留出间隙（预留4～5 mm），以保证根部熔透。为了便于操作，定位焊点在焊缝的两端，防止收缩变形，造成尺寸误差。

另外，由于大坡口焊缝在焊接及清根过程中，热输入量过大会产生焊接变形。因此，需要将对称工件背对背点焊牢固，焊接工装控制变形，以达到控制反变形目的（如图4和图5所示）。

（2）对焊缝根部及拐角处砂轮无法清理部位，采用机加绞刀安装在角磨机上进行清理，清理效果显著，保证了焊缝内在质量，为全熔透焊缝超声波探伤（UT）奠定了良好的基础。

图4 背对背点焊

图5 工装固定

4.2 选择合理焊接方法和工艺要求

由于采用焊条电弧焊时，焊条可以伸入接头根部（如图6所示），还可以在小范围内调整焊接角度，能很好地保证接头根部质量。经过多次实践，我们决定对坡口深度大于12 mm的焊缝，采用焊条电弧焊打底+富氩混合气体填充、盖面。为了保证熔透，采取小钝边（0～1 mm），先用焊条电弧焊后，背面碳弧气刨清根，然后焊条电弧焊打底，富氩混合气体保护焊填充、盖面。经多次试验后，得出最佳工艺参数，见表1。

图6 焊条电弧焊示意图

表1 最佳焊接工艺参数

4.3 焊后不去除工艺撑（工装）进行去应力处理

为了消除焊后工件产生大的内应力，采用整体高温回火，即将构件整体加热到600～650℃。在这样的温度下，其屈服点降低，内部由于应力的作用而产生一定的塑性变形，然后再缓慢冷却下来，从而使应力得到消除。整体焊后热处理，一般可将80%～90%的残余应力消除掉，减少焊后工件变形。

5 结 论

采用上述焊接工艺和操作方法焊接K形坡口全熔透焊缝，既保证了焊接质量，又控制了焊接变形，产品的一次探伤合格率从以前的50%提高到了90%以上，进一步降低了焊缝返修率，提高了生产效率，节约了制造成本。

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