高频预焊缺陷对不锈钢焊管焊接质量的影响及控制

为了研究高频预焊缺陷对COE直缝埋弧焊钢管焊接质量的影响，简述了高频感应预焊的工艺过程及特点，介绍了其焊接过程中常见的断弧、焊瘤、错边、开裂、坡口损伤等缺陷，分析了焊接缺陷产生的原因，并从坡口设计、管坯成型、焊接工艺参数、操作方法、补焊等各工序角度提出了预焊质量控制措施，有效减少了预焊缺陷的产生，实现埋弧不锈钢焊管生产质量和效率的提高。

不锈钢焊管行业目前大多采用UOE、JCOE成型工艺制造直缝埋弧焊钢管。钢板上料后进行连续气体保护预焊，受成型方式和预焊焊接速度（一般不超过4m/min）的影响，生产效率低，预焊过程易产生气孔、夹渣、焊瘤、烧穿、断弧等缺陷，管端存在300mm左右的焊接盲区，一次合格率较低；焊接过程中需要消耗大量价格昂贵的惰性保护气和焊材，生产成本较高；同时，焊接弧光的辐射和烟尘对操作人员健康有极大危害。番禺珠江钢管公司研发的“COE直缝不锈钢焊管成套制造工艺”是采用COE成型机组进行管坯成型、高频焊接预焊、埋弧焊精焊的方式来制造直缝埋弧焊钢管。在生产直径406~711mm直缝埋弧不锈钢焊管过程中，上料方式为钢卷连续上料，预焊速度可达8m/min以上，能够实现连续、高效、稳定预焊，焊接过程中不需要使用保护气、焊丝等焊接材料，不会产生焊接弧光和烟尘，以及对操作人员的危害。但是，高频预焊也会产生焊接缺陷，从而导致钢管内外埋弧焊缺陷的产生，因此，提高直缝埋弧不锈钢焊管质量必须控制好预焊质量。

1成型预焊工艺过程及特点

1.1成型预焊工艺过程

COE成型预焊工艺流程为：钢卷上料校平→铣边→空弯成型→排辊成型→翅片成型→高频预焊→飞锯切管。钢卷通过上料校平后，经过铣边机铣边，获得成型预焊需要的板宽、坡口角度和钝边厚度。钢卷被送入COE成型机组进行空弯成型（板边预弯）、排辊成型（连续弯曲变形）和翅片成型（管坯成型），然后通过高频焊接挤压辊进行高频预焊，并按照钢管长度要求飞锯切断。

1.2高频预焊工艺特点

由于采用钢卷连续上料方式，整卷材料可以当作整支钢管进行连续成型焊接，钢管成型后，直接通过高频焊接机组进行焊接。焊接温度、挤压量、坡口形状、管坯形状、焊缝扭曲、板边鼓包以及板边不平等因素会造成成型后预焊焊缝质量不合格。焊接时需要对铣边坡口形状、成型后管型和焊接挤压量及焊接温度、焊缝位置偏离的情况进行实时跟踪和相应调整。高频预焊具有快速连续生产、效率高、焊缝质量稳定、生产成本低等特点。

2高频预焊常见缺陷

由于高频预焊自身的特点，在生产过程中常常会产生焊瘤、错边、焊缝开裂、断焊（断弧）、焊缝坡口损伤等缺陷。其中，焊瘤、断弧、坡口损伤较容易发现，可及时通过补焊修复，一般不会对埋弧焊精焊质量产生较大影响。

2.1焊瘤

焊接过程中由于焊接温度过高和焊接挤压量过大，会产生内外焊瘤，如图1所示。如果不及时清除焊瘤，会对焊缝跟踪、焊接过程稳定性及内外焊缝质量产生较大影响。焊瘤中含有大量金属氧化物和耐高温熔渣，埋弧焊过程中易在熔池中产生大量夹杂物，最终影响焊缝性能。内焊的焊机头部一般装有导向轮，用来稳定机头和导向跟踪。当导向轮在坡口内遇到焊瘤时，焊头突然升高，焊丝空间位置（焊丝伸出长度和间距）和电弧长度将发生急剧变化，这将导致焊缝产生夹渣、未焊透、焊缝外表面成形不良等缺陷。同时，导向轮也容易偏离焊缝中心，造成焊偏。

2.2错边

错边对内外焊缝的熔深和断面几何形状产生不利影响，错边超差将直接导致不锈钢焊管降级或报废。

2.3焊缝开裂

焊缝开裂是由于预焊焊缝强度过低（冷焊），在周向内应力或外力（矫直压力或内焊焊接应力）作用下出现焊缝开裂的现象。在内焊过程中，焊接应力将加重焊缝开裂倾向，导致焊缝产生裂纹缺陷。

2.4断焊

高频预焊过程中，因设备或操作等原因易造成设备停机，这种情况下一般会产生1m左右的焊缝断焊，这种缺陷焊缝一般通过手工补焊的方式进行处理。预焊内焊缝则会产生0~2mm的间隙，使焊缝产生气孔和夹渣的倾向增大。

2.5坡口损伤

坡口损伤主要由铣边不良和成型板边压伤造成。由于进入铣边机的板面不平，会造成铣边后的坡口形貌不一致，成型预焊后坡口大小和钝边厚度不均，埋弧精焊过程出现烧穿或未焊透等缺陷。成型板边压伤一般是因空弯成型过程中板边预弯不良，翅片成型会过度挤压钝边，造成钝边增厚，预焊后坡口过小，造成外焊熔深减小和焊缝超高。

3高频预焊质量影响因素及控制措施

在直缝埋弧不锈钢焊管制造过程中，影响高频预焊质量的因素有坡口、COE成型、高频焊接、补焊工艺方法、操作技能等。

3.1坡口

尺寸设计不合理的高频预焊坡口示意图如图2所示。高频预焊钢管的坡口角度、上下坡口深度和钝边厚度尺寸选择不合理（钝边中心线一般在壁厚下1/3处，如图2（a）所示），对钢管成型、焊缝成形及焊接过程稳定性等产生不利影响。由于铣边机刀盘为组合刀盘，上下坡口角度是固定值，一般通过设定钝边厚度h2和上坡口深度h1来调整钢卷铣边参数，如图3所示。成型预焊后，钢板上表面转变为钢管内表面，上坡口高度过高时，高频预焊后钢管外坡口深度会过小，内坡口尺寸过大（如图2（b）所示），导致埋弧焊精焊过程出现内焊缝余高过小（甚至产生未填满缺陷），外焊缝余高过大，反之亦然。钝边厚度尺寸过大（如图2（c）所示），高频预焊后坡口尺寸过小，焊缝厚度增加，影响焊缝熔深，造成焊缝余高过大以及内外焊缝未熔合等缺陷的产生。钝边厚度过小时，高频预焊过程易产生焊瘤和焊后开裂，且焊缝处壁厚偏薄，易造成烧穿。因而在直缝不锈钢焊管生产过程中，应根据管径、壁厚、材质、成型等不同工艺条件，选择合理坡口设计尺寸。在预焊作业中若出现焊接坡口尺寸过大或过小、焊缝开裂、焊瘤等缺陷，应及时进行参数调整、缺陷修补和清除。

3.2COE成型

成型后的管坯形状会对预焊质量产生重要影响。图4为常见的三种不良管形。图4（a）为成型空弯板边过量预弯，管形的开口两边内凹，高频焊时易产生内焊瘤，同时内坡口过小甚至内焊缝凸起，影响内焊熔深和焊缝余高。图4（b）为管坯成型开口过大，高频焊接时，为了保证焊缝有足够的强度来约束开裂，需要增大挤压量和焊接温度，如此就会产生焊瘤和焊缝坡口过小等问题。图4（c）为板边在空弯过程中预弯弧度过小，翅片成型时易压伤坡口和钝边，成型后管型焊缝部位成桃尖形，高频焊接时易产生外焊瘤，埋弧焊时影响外焊熔深和焊缝余高，焊后扩径过程中焊趾开裂风险较大。

COE成型过程中，控制管坯形状最重要的是选择合适的板边预弯参数，预弯后板边的圆弧半径应与翅片成型轧辊的圆弧半径尽量一致，这样在后续的成型和焊接过程中能够制造出良好的管形而且便于保护板边坡口不被损伤。其次，在成型过程中各个轧辊应受力均匀，使钢板均匀变形且具有足够的变形量，以使管坯有良好的形状和适宜的开口量。良好的管坯形状应该是管体变形均匀，无明显直边，椭圆度不超过25mm，焊后检查应力环开口量不超过50mm。

3.3高频焊接

高频焊接主要工艺参数有：焊接温度、焊接速度、焊接挤压量（焊接挤压量=焊前外周长－焊后外周长）、焊接坡口角度等。焊接工艺参数选择不当易造成焊缝缺陷，甚至影响正常的焊接。焊接温度和挤压量一般低于普通高频不锈钢焊管的焊接温度和挤压量，为保证焊后获得良好的预焊缝形貌（如图5所示），焊接温度为1100~1300℃，挤压量为2~4mm，通过焊接工艺试验确定焊接工艺方案，并编制生产焊接工艺文件进行控制。

3.4人员操作

在高频预焊生产过程中，需要对整个生产线各岗位进行监控及调整，焊接质量很大程度取决于操作人员的实际操作技能。例如：挤压量的调整、焊接温度的控制、错边的调整、焊后质量的在线检查等，主要由人工完成。为了减少或避免人员操作因素对质量造成的不利影响，对操作人员应进行培训，合格后方可上岗。

3.5缺陷补焊

高频预焊一般采用钢卷整卷上料，连续生产，几乎没有管端预焊盲区，主要出现的预焊缺陷为成型错边、焊缝开裂、断弧、坡口损伤和高频焊瘤。发现焊缝错边时应及时调整模具，飞锯岗位对错边超差钢管进行优化切割，减少因错边超差产生的钢管降级或报废损失。焊瘤应通过磨削或气刨的方式清除。焊缝开裂、断弧和坡口损伤的部位，补焊应采用气体保护焊，一般采用手动二氧化碳气体保护焊补焊，并对焊接材料、工艺参数、补焊方法进行工艺控制，以获得与自动焊缝基本一致的质量。

3.6埋弧焊工艺

与气体保护焊预焊相比，高频预焊后焊缝可实现完全熔合（气保预焊后焊缝存在0~1mm的间隙），在埋弧焊接过程中相当于无缝焊接，减少了钢管焊缝气孔夹渣倾向性。在实际生产过程中，常产生一些较小的预焊焊瘤（米粒焊瘤），如图6所示，为提高生产效率，可不予清除直接焊接，而这样则需要通过适当的焊接工艺调整来消除产生的不利影响。内焊工艺应在线能量不变的情况下，采用稍慢的速度焊接，以延长熔池高温停留时间，便于杂质析出；外焊应采用较大线能量，以增大焊缝熔深和熔池温度，以利于杂质的排出和获得足够的熔合量。

4结束语

COE直缝钢管高频预焊缺陷将直接影响内外埋弧焊缝的质量。通过对坡口角度和尺寸、管坯成型、焊接工艺参数、操作方法、补焊等各道工序的质量控制，可有效减少预焊缺陷的产生，提高埋弧焊生产质量和生产效率，同时降低生产成本。