HFW焊管焊缝点状缺陷产生原因及预防措施_左兰兰.pdf

经验交流第46卷 第1期2023年1月焊管WELDED PIPE AND TUBEVol.46 No.1Jan.2023HFW焊管焊缝点状缺陷产生原因及预防措施左兰兰（中石化石油机械股份有限公司沙市钢管分公司，湖北 荆州 434001）摘 要：某 HFW 焊管在机组生产过程中，超声波检测出钢管焊缝存在不规则分布的点状缺陷，通过对点状缺陷位置的焊缝形貌和金相组织观察，以及生产过程的工艺控制情况分析了点状缺陷产生的原因。结果显示，原材料钢板边缘的质量及其在成型过程中的状态是产生点状缺陷的主要原因；其次，生产过程中成型和焊接工艺参数匹配不合理也会造成不同程度的点状缺陷出现。为避免生产时产生点状缺陷，增加了对原材料和板边质量的预防性控制措施，优化了成型和焊接工艺参数，并结合焊接时毛刺的颜色和形状，以及在线超声波检测的波形特点，实时调整成型和焊接工艺参数的匹配。生产实践表明，通过采取上述控制措施，可以显著降低点状缺陷产生的概率，取得了良好效果。关键词：HFW焊管；超声波检测；点状缺陷中图分类号：TG441.7 文献标识码：B DOI:10.19291/ki.1001-3938.2023.01.011The Causal Analysis and Preventive Measures of HFW Pipe Weld Spot DefectZUO Lanlan(SINOPEC Oilfield Equipment Corporation Shashi Steel Pipe Works,Jingzhou 434001,Hubei,China)Abstract:In the production process of HFW welded pipe,some spot defects were distributed nonuniformly among the weld seam by ultrasonic testing.Through the observation of the weld morphology and metallographic structure of the spot defect,as well as the process control in the production process,the causes of the spot defect were analyzed.The results indicated that the steel plate edges quality and the situation when its in the process of the pipe forming were the most important causes to the spot defect,in addition,the spot defect also resulted by the improper parameters set of the forming and welding process.To avoid the possibility to produce the spot defects when running the mill line,take the preventive actions to the quality of the base material and the edges of the steel plate,optimize the forming and welding process parameters set,and based on the color and figure of weld bead and the ultrasonic testing to adjust the process parameters matching.The practice of production indicated that the probability of the spot defects occurrence was reduced remarkably by the actions above,the quality of the product was improved,and it obtained a good result.Key words:HFW welded pipe;ultrasonic testing;spot defect0前 言众所周知，高频焊管制造工艺的特点是高效、低成本，能更便捷地适应社会发展需求，因而得到广泛应用1-4。但高频焊管也存在一些缺陷，会严重影响产品质量和生产效率5-9。按现行标准，高频焊管一般采用超声波检测，且国内外的研究人员均在高频焊管的超声波检测方面做了很多深入的研究11-15。根据这些研究结果，利用超声波检测技术可以很好地实时监控高频焊管的焊接质量，从而保证高效、连续性生产。HFW焊管生产过程中检测到焊缝中存在离散不规则分布的点状缺陷，本研究对该缺陷产生的原因进行了分析，并通过采取相应的预防措施，降低点状缺陷出现的概率，提高 HFW 焊管生产质量。62第1期左兰兰：HFW焊管焊缝点状缺陷产生原因及预防措施HAN GUAN 1HFW焊管焊接工艺简介高频焊管焊接工艺有感应焊和接触焊两种模式，如图1所示。高频焊是利用高频电流的集肤效应和邻近效应，将电流集中在焊接的 V角区域，通过高频电流产生的电阻热将板边加热至熔融状态，在电磁排斥力和焊接挤压辊挤压的作用下将成型后的板边焊接在一起，将焊接产生的氧化物夹杂从焊缝中排除出去5-9。因此，V角区域的焊接状态是影响焊接质量的关键因素，包括V角的开口角度、V角的长度、V角处板边的合缝状态、V角处乳化液的流向、感应线圈/接触电极的安装位置、阻抗器的安装位置、挤压辊挤压量的设置、焊接功率和焊接速度的设置等。经过多年的研究和实践，高频焊接工艺已经成熟应用于高频焊管的生产制造中，各制管企业也都总结出适应自身特点的焊接工艺技术，保障了焊接质量的稳步提高。2HFW焊管焊缝点状缺陷产生原因分析国内外大量学者和研究人员在高频焊接缺陷的类别及产生机理方面取得了大量研究成果，为防止缺陷产生提供了借鉴5-11。高频焊管生产过程中产生的点状缺陷，尤其是无规律、离散分布的点状缺陷，给生产带来了较大困扰。查找这些点状缺陷产生的原因，往往需要耗费大量时间、精力，极大地影响了正常的生产节奏和效率。本研究根据生产实践总结分析，认为HFW焊管焊缝点状缺陷产生的原因主要包括以下几个方面。2.1原材料因高频焊管的焊接是直接将母材熔融焊接在一起的，原材料的状态会直接影响焊接质量。（1）板边质量。原材料的板边在轧制、运输、吊装过程中，会造成局部位置的损伤，如图 2 所示。这些损伤进入生产线后，不能被及时发现，或者缺陷经铣边铣削后不能被完全消除，在焊接时就会产生明显缺陷，且分布比较随机。（2）成分。高频焊接过程中会产生大量氧化物夹杂，一般来说，熔化的氧化物在压力作用下比较容易被挤出去，而另一些氧化物因其黏性或者塑性较大，熔点较高，需要高压和高温才能使其挤出。图3所示是某机组在焊接速度为16 m/min时生产的L415M钢级323.9 mm7.1 mm钢管，在进行压扁试验时焊缝熔合线上出现针孔状小开口，经断口扫描电镜分析，孔状缺陷图1高频焊接示意图图2原料板边损伤 632023年 第 46 卷焊 管的起裂位置即为Mn和Si形成的氧化物10。在管线钢中，这类黏性氧化物会随着一些成分（如Mn和Si）含量的变化而大大增加，因Mn和Si在高频焊接过程中形成的氧化物的熔点与Mn/Si比相关，随着Mn/Si比的增加，形成的氧化物的熔点降低，有利于氧化物挤出。日本的一些企业认为Mn/Si比应控制在415范围内比较易于氧化物挤出5-10。另外，高频焊接时会产生大量的“飞溅”，这些飞溅是熔化的金属及氧化物在高频电磁场的电磁排斥力作用下喷射出来的球形小颗粒，会影响焊接的稳定性。由于集肤效应和邻近效应，V角区域集中了大部分的高频电流，因此该区域迅速被加热，在熔融的金属表面形成一层氧化物薄膜，如图4（a）所示。随着加热的继续进行，熔融的金属不断增加，在V角顶点位置逐渐形成一个熔池，如图4（b）所示。此时电流的流向不再是经V角顶点，而是沿着熔池的端部，即V角的加热长度发生了变化。熔池不断长大，当长大到一定程度时，熔池就会破裂，熔池中的部分金属和氧化物在挤压力的作用下以毛刺的形式被挤出焊缝，部分金属和氧化物在电磁排斥力的作用下，以“飞溅”的形式喷射出来，如图4（c）所示。熔池继而再重新形成、长大和破裂。在熔池破裂瞬间，若“飞溅”很多很大，则极易使V角电流发生短路，产生冷焊缺陷，熔池中的金属因电磁排斥力作用减弱，使部分氧化物夹杂滞留在其中，如图4（d）所示。原材料中的Ti、Al、Mo等合金元素，因表面张力较大，在高频焊接时容易产生大量“飞溅”8。因此，在焊接时应引起重视。2.2板边状态（1）板边合缝。高频焊接的理想状态是，焊接坡口呈“I”型，如图5（a）所示，使高频电流均匀分布在钢管壁厚内外侧，使焊缝内外被均匀加热，内外毛刺被均匀挤出。否则，若内壁先接触，如图5（b）所示，呈“V”形坡口，根据高频电流的集肤效应和邻近效应，则电流将集中在管壁内侧，内侧比外侧先加热，熔化的金属量比外侧多，生成的毛刺从内侧向外侧挤出，容易造成外侧加热不足产生冷焊，氧化物滞留在焊缝中。若是外壁先接触，如图5（c）所示，呈倒“V”形坡口，则电流将集中在管壁外侧，外侧比内侧先图3压扁试验时焊缝孔状缺陷图4高频焊接过程 64第1期左兰兰：HFW焊管焊缝点状缺陷产生原因及预防措施HAN GUAN 加热，熔化的金属量比内侧多，生成的毛刺从外侧向内侧挤出，容易造成内侧加热不足产生冷焊，氧化物滞留在焊缝中。因此，在高频焊管的成型过程中，应保证合缝时的焊接坡口呈稳定的I型。（2）板边加工。板边在生产过程中与输送辊道接触会产生磨损。如某机组的弯边轧辊边缘会在钢板边缘压出一道痕，超声波检测判定为短距离缺陷，焊缝横截面上肉眼可见从焊缝位置表面向内侧倾斜延伸的裂纹，如图6所示。显微镜下观察，该裂纹起始于焊缝旁的母材，向内侧母材延伸，深度约为0.150.3 mm，经修磨后，缺陷消失。钢板在铣边过程中会出现铣削不正常、铣削后产生毛刺等问题，也会造成焊接时产生局部缺陷。如铣边产生的毛刺会造成焊接时 V角区域“打火”8，使V角区域瞬间短路，产生冷焊缺陷，该缺陷压扁试验的断口呈亮白色，如图7（a）和图7（b）所示。铣边产生的脱铣情况，也会造成图5板边合缝形状示意图图6弯边轧辊造成的板边压痕图7铣边造成的板边缺陷 652023年 第 46 卷焊 管焊接时挤压异常而产生缺陷，缺陷的断口呈蓝黑色，如图7（c）和图7（d）所示。另外，成型过程中凡是存在轧辊与板边直接接触的位置，均可能对板边造成不同程度的损伤，这些损伤造成的点状缺陷往往呈周期性出现，可以较快查到原因。因此要定期巡查这些位置，防止发生问题。值得注意的是，生产线上的碎屑和脏物随着乳化液流入到V角区域，也会造成一些焊接缺陷，需要及时清理。2.3工艺匹配在生产实践中，还会出现一种分布离散、无规律的点状缺陷，这些点在不同钢卷之间以及同一钢卷的不同位置的分布也有差别，通过对生产线的各种排查，未发现明显异常，对工艺参数设置检查，也未发现变化。国外相关研究利用模拟方法和高速相机拍摄到高频焊接过程，高频焊接过程是V角区域熔池形成长大破裂的往复过程5-9，如图4所示。在这个过程中，如果原材料的化学成分、V角参数设置以及成型和焊接工艺设置未达到一种合理匹配时，就会造成焊接状态不稳定，在熔池破裂的时候，V角处产生瞬间短路形成冷焊缺陷，而熔池因电磁排斥力的作用减弱使氧化物夹杂滞留于焊缝中，造成不同的焊接缺陷。为防止缺陷的产生，需要综合考虑各种因素。结合生产实际，如某机组在以15 m/min焊接速度生产L415M钢级610 mm10 mm焊管过