海洋工程导管架管结点焊缝焊接操作技巧探析

本文由楼承板联合整理发布海洋工程导管架管结点焊缝焊接操作技巧探析摘要：本文针对工程中导管架管结点接头采用常规焊接工艺方法，无法达到质量要求的难题，提出了用“灭弧点焊法”焊接管结点根部焊缝；用“多层多道排焊法”焊接填充焊缝；用“碱性下向排焊法”焊接盖面焊缝的一整套操作技术，解决了管结点焊缝的质量问题。整套技术通过集中培训和现场示范等形式，已广泛应用到了施工生产中。1问题的提出近几年来，随着海上油田建设的发展，海上采油平台、井下作业平台、导管架等金属结构大量生产制造、使用，这类结构中管结点是最为常见的焊接接头之一。由于管结点两侧母材都是筒形结构，其直径一般在400~800mm之间，壁厚在20~50mm之间，焊口在空间的位置属于曲线形全位置焊口如图1所示，就焊接而言，这种接头带有很大的特殊性。又由于海上钢结构焊缝与压力容器焊缝在质量上的要求不完全一样，因而采用常规的焊接手法时，焊接质量会出现许多问题,其中主要的缺陷有以下3种。1.1根部焊缝出现裂纹焊接根部焊缝时，非常容易出现焊缝表面看似良好，但内部却存在大量的微型裂纹的现象（因坡口深而窄,焊缝表面裂纹很少）。如果用磨光机把焊缝表面焊肉磨去，就能见到许多夹渣和外形不规则的裂纹。特别在焊接大厚度接头时，这种现象更为明显。1.2填充焊缝外表成形不良焊接填充焊道时，每层焊道两侧咬肉很难控制。在上坡焊、下坡焊、立焊、仰焊部位，焊道中间凸起很明显，焊接时非常容易出现夹渣、未熔合等缺陷。为清除此类缺陷，施焊过程中加大了各层之间磨修焊道的工作量，影响了焊接进度，同时焊接质量难以保证，超声波检查时合格率很低。1.3盖面焊缝外观质量不合格常规焊接盖面焊缝，焊后除焊缝两侧有咬肉、中间凸起等缺陷外，上横部位还有焊道下坠的现象，成形不美观，不能达到船级社规范要求中“平滑过渡”的质量要求。为使焊后表面与比邻的母材熔合光顺，必须将焊缝磨成光滑的凹型，如图2所示，凹型半径r的最小值根据管件间的夹角α和铉杆管壁厚t规定如下：当夹角α≤130°时，r≥t/2；当夹角α≥130°时，r≥t。2焊接缺陷难点分析2.1根部焊缝裂纹形成的原因根据根部焊缝裂纹形状和产生时间分析，基本应判定为焊接热裂纹（或叫结晶裂纹）。热裂纹产生机理其一为熔池的低熔点共晶，其二为焊接过程中的拉应力。本文由楼承板联合整理发布焊接前，焊缝坡口都进行了严格清理和检查，可排除导致低熔点共晶的因素。由于结构的特殊性（厚度大、尺寸大、刚性大），焊接中焊缝要承受很大的焊接应力，所以这是造成结晶裂纹的主要原因。作用原理可通过图3进行分析。图3中纵坐标表示焊缝的温度；横坐标表示焊缝金属在脆性温度区△T内实际具备的塑性变形量（P）和在焊接应力作用下产生的变形量（△e）；直线1、2表示在不同的焊接应力条件下,随温度下降，焊缝金属产生的实际变形量。常规的焊接方法中焊缝两侧热影响区受到的线能量大，熔池体积也大,冷却过程中作用在焊缝上的焊接应力大，结果产生如同直线2所对应的应力变形△e2，△e2的值比Pmax大，因而形成开裂。当采用“灭弧点焊法”后,焊接线能量小，形成的焊接应力变形相当于直线1对应的△e1，△e1小于Pmax，所以不会开裂。另外在对大间隙部位的处理上，采用“两点”或“三点”的操作手法如图4所示，实际上是降低了焊缝的刚性拘束，加大了塑性变形量Pmax，减小了焊接应力变形△e，焊缝更不会开裂。2.2碱性焊条下向焊优势分析与酸性焊条相比，碱性焊条下向焊的焊接操作性稍好些，原因是碱性焊条与酸性焊条熔渣的物理特性不同。其中起主要作用的因素是熔渣在高温条件下（1200~1400℃）的粘度、表面张力、导电性。图5中熔渣的温度在1200~1400℃及附近时，碱性熔渣的表面张力、粘度都明显小于酸性渣，这说明在该温度下碱性渣流动性好，也就是焊接中所感觉到的“碱性焊条熔池清晰，熔渣薄而稀，酸性焊条熔渣流动性差，不易赶开，熔池情况不易观察”的现象。因碱性渣具有这一特点，故而在下向焊中多余的熔渣比较容易被电弧吹掉。在高温情况下，熔渣导电性能的好坏主要取决于熔渣中各种离子体的数量，如Na+、Fe2+、Mn2+、F-等离子体。酸性焊条药皮中主要成分是TiO2、SiO2、CaCO3等，碱性焊条药皮成份主要是CaCO3和CaF2，两种药皮熔化后形成的等离子体数量，碱性焊条要比酸性焊条多，所以碱性渣在高温下的导电性比较好，有利于防止熔渣压灭电弧现象的发生。3解决问题的措施及操作要点3.1用“灭弧点焊法”焊接根部焊缝“灭弧点焊法”这种操作手法主要在于解决根部焊缝裂纹问题，同时也降低背面焊缝成形的控制难度。焊接时，起焊点的位置、焊条角度、焊接方向等都与常规操作时一样，但不同之处在于“灭弧点焊”尽量减小熔池尺寸。对于间隙大的部位可采用连点两点三点，即“左一点，右一点”或“左一点，右一点，中间一点”,更换焊条收弧时要用三点向后收弧，如图5所示，以避免出现弧坑裂纹。焊接时用的焊条直径Φ3.2mm，焊接电流110~115A，电弧电压22~26V，采用直流反接短弧操作。3.2第二层焊缝用常规焊接手法本文由楼承板联合整理发布第二层焊缝焊接用常规手法操作,只要正确制定并使用焊接规范，焊接质量较容易保证。焊接时选用E5015和焊条，直径Φ4mm，焊接电流160~170A,点焊电压22~25V。起焊点位于6点钟位置左右，起焊时要从起焊点前方30mm左右的位置引弧，电弧引燃后快速拉回起焊点施焊。运弧采用反月牙形运条方法，短弧操作。第一个熔池的焊肉要薄，从第二熔池起焊肉要增加到正常厚度，但厚度不宜高于焊条直径,这样能防止焊接后半圈时接头处出现焊瘤。在随后的操作中都要用短弧，电弧在坡口两侧要稍作停顿，中间过渡稍快些。3.3其他填充层用多层多道排焊第二层焊缝焊完后，开始采用排焊焊缝焊接效果较好。一般情况下第三、第四层排焊两道，以后各层根据焊口宽度不同排焊二或四道。每道焊缝使用的规范与第二层基本相同，但区别在于排焊时焊条摆动的幅度较小,焊道宽度要控制在焊条直径3倍以内，如图6所示。在接近盖面位置时，由于整个焊口的坡口深度不一致，可能出现有的部位已经焊满、有的部位还没有填满的现象，这时就要将未填满的部位进行填焊，同时还要对外形不符合要求的部位进行修整，尽量让焊缝低于表面0.5~1mm，并保证找平层上下均匀。3.4用碱性焊条下向排焊焊接盖面层图7表示出了用碱性焊条下向排焊的基本操作过程。其基本原理是利用电弧吹力和液态金属的表面张力克服重力的影响，让一部分液态金属附着于基本表面，随电弧向下移动形成薄而均匀的焊道,同时也利用电弧吹力和重力作用，将多余的液态金属熔渣吹离开焊接区。第一道焊道可以安排在大管一侧,也可安排在小管一侧。其他焊道按先后顺序排列。起焊点位于12点左右位置，顺1点、2点、向6点方向施焊。焊条不做横向摆动,连续向下移动，焊条在各个位置上的角度，如图8所示。焊接时使用的焊条直径Φ3.2mm,电流120~130A，电压21~25V，采用直流反接。后半圈操作与前半圈相同，随后各道焊缝的操作也与前半圈相同。整个盖面操作就是要把原焊道高的部分“抹平”，低的部分“填平”最终达到光滑平整的“船型”焊缝表面。下向排焊焊缝成形如图9所示。4结束语4.1对于刚性拘束非常大的焊接接头,焊接根部焊缝时用“灭弧点焊法”操作，能有效地控制结晶热裂纹。4.2较深坡口全位置接头的填充焊缝,用多层多焊道排焊，容易得到理想的焊缝表面形状，控制焊缝层温度，提高焊接质量和生产率。4.3对海洋平台工程中管结点接头的盖面焊缝，用碱性焊条下向排焊能获得平滑焊缝表面，可以满足船级规范中的各项技术要求。本文由楼承板联合整理发布参考文献[1]焊接工程师手册.北京：机械工业出版社.2004年10月.第1版[2]高级电焊工工艺学.北京：机械工业出版.1999年4月.第1版[3]电焊工工艺学.北京：中国劳动部出版社.1996年3月.第1版(end)文章内容仅供参考()()(2012-6-21)