关于提高二氧化碳气体保护焊探伤过关率的探究

柯长福 朱学元 王旭彬

摘要：二氧化碳气体保护焊作为常用焊接的方法之一，具有效率高、优质、成本低、适合全位置和全自动焊接被广泛应用。随着设计多元化，对复杂结构大厚度低合金高强钢产品应用及需求日益趋于增多。焊接难度随着板厚度增加也在逐步增加，想要高质量、低成本、高效率生产就必须提高探伤合格率。探伤合格率不稳定，对相关影响因素、注意事项、个人技能、缺陷防治等环节进行分析研究，从生产制作开始到成品检验，制造过程严格控制才能进一步提高探伤合格率。

关键词：二氧化碳气体保护焊    大厚度低合金高强钢   提高探伤合格率

我国金属加工制造产量大，随着市场需求扩张，80年代初期我国开始推广使用二氧化碳气体保护焊，至今已在我国建筑、压力容器、石油化工、工程机械、农牧机械、汽车制造等行业得到广泛应用。

其中有相当数量的设备和产品，如不采用焊接就不可能制造。制造业发达国家一般钢产量的40%左右时经过焊接加工才成为产品的。

二氧化碳气体保护焊是利用二氧化碳（混合气）为保护气体的熔化极气体保护焊。二氧化碳气体保护焊具有很多优点，它已广泛应用于焊接低碳钢和低合金高强钢。然而在焊接中出现的问题也不能忽视，接下来我们谈谈二氧化碳气体保护焊焊接大厚度低合金高强钢提高超声波探伤合格率的方法。

主要缺陷形成原因

二氧化碳气体保护焊的缺陷主要由操作引起的，以下是集中在焊接过程中常见的焊接缺陷：

1.夹渣与夹杂

残留在焊缝中的熔渣称为夹渣。由焊接反应产生的、焊后残留在焊缝金属中的非金属杂志称为夹杂。

夹渣形成原因：1）焊接电流过小，造成熔渣流动性减小：2）摆动不当，铁水没有与焊缝熔合就已经跑在熔池前面：3）多层多道焊接时层间清理不够彻底。

夹杂形成原因：1）焊丝不合适：2）焊接参数不合适：3）电弧过长。

2.气孔

在焊接时，熔池当中的气体在凝固前为未能及时逸出停留在焊缝中形成的空穴称为气孔。

焊缝中存在气孔的根本原因是熔池金属中存在大量气体，在熔池凝固过程中气体来不及逸出，残留在焊缝中。

焊接时，如果使用化学成分不合格的焊丝，纯度不符合要求的二氧化碳气体及不正确的焊接焊接工艺等，焊缝中可能产生气孔，气孔主要有一氧化碳气孔、氮气孔和氢气孔三种。

3.未熔合

熔焊时，焊道与母材之间或者焊道与焊道之间，没有完全熔化结合的部分称为未熔合。

焊接时焊接参数不合适，电流过小、电压过低或者焊接速度过快，焊丝摆动不到位，焊枪倾斜角度没有对准偏向一边，坡口上面残留的油、锈或其他污物都有可能引起未熔合。常见的未熔合有根部未熔合、层间未熔合和侧壁未熔合。

4.焊接裂纹

焊接裂纹是危害最大的焊接缺陷，是焊接结构和压力容器发生突然性破坏造成灾难性事故的最重要原因之一。焊接裂纹不仅直接降低了焊接接头有效的承载面积，而且还会在裂纹尖端形成应力集中，使裂纹尖端的应力大大超过了焊件的平均应力，易發生突然脆性断裂。接头焊缝中产生的裂纹包括：热裂纹、冷裂纹、再热裂纹和层状撕裂四大类。

热裂纹是焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的裂纹。

冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度下（对于钢来说，在Ms温度以下）产生的裂纹。

再热裂纹是焊件在一定温度范围内再次加热（消除应力热处理或其他热过程）产生的裂纹。

层状撕裂是焊接构件中沿钢板轧层形成的一种呈阶梯状的裂纹。

二、焊缝超声波检测

人们把能引起听觉的机械波成为声波，频率在20～20000Hz之间，低于20Hz的机械波称为次声波，频率高于20000Hz的机械波称为超声波，超声波检测所用的频率通常在0.5～15MHz之间，对钢等金属的检测常用频率为1～5MHz.

我们之所以选择用超声波时因为有以下几方面的特点：

a.方向性好

b.能量高，能穿透很厚的工件

c.能在界面产生反射波、折射等波形转换

d.穿透能力强

1.超声波检测及设备

焊接接头超声波检测常用的主体设备是超声波检测仪，它的作用是产生电磁振荡并加于探头上，激励探头发生超声波，同时将探头产生的电信号进行放大，通过一定的方式显示出来，从而获得被检工件内部有无缺陷、缺陷的位置、和缺陷大小等信息。

对于新购置超声波检测仪或者经过维修和更换过主要部件要对其组合的综合性能进行测定确认，组合型能包括水平线性、垂直线性、组合频率等。根据标准规定水平线性偏差不大于1%，垂直线性偏差不大于5%，仪器和探头组合率与探头标称频率之间偏差不得大于±10%，我们用纵波直探头和横波斜探头进行检测。对焊接接头进行超声波检测前探头和仪器调节发生改变时，怀疑扫查灵敏度有变化时，连续工作4h以上时，要对探头仪器系统的复核，先调节通道参数，测定前在CSK-I试块上进行自动校准，同时测出探头的前沿，然后测出k值，根据待测街头的厚度在试块上做出距离波幅曲线，完成后进行修正，复核组合的水平距离和垂直距离。

2.超声波探头

在超声检测中，超声波的发射和接受时通过探头来实现的，超声波检测用的探头的种类有多种，根据波形的不同分为纵波探头、横波探头、表面波探头等，根据耦合方式分为接触式探头和液浸探头。

3.超声波探伤耦合剂的选用

超声耦合剂时为了改善探头与工件之间声能的传递，提高超声波在探伤界面上声强往复透射率，耦合剂还有减少摩擦的作用，减小探头磨损。一般比较常见的耦合剂有机油、水、水玻璃、甘油、化学糨糊等，一般耦合剂应满足一下要求：

1）能湿润工件和探头表面，流动性、粘度和附着力应适当，容易去除;

2）声阻抗尽量与被检工件材料接近，声透性能好;

3）对工件无腐蚀，对人体无害，不无污染环境;

4）性能前稳定，不易变质并能长期保存;

5）来源方便，价格低廉;

3.试块的选用

试块是按一定用途设计制作具有简单几何形状人工反射体的式样，试块和探头、仪器一样是超声波检测的重要工具，对试块的选用有以下几方面参考标准：

1）确定检测灵敏度;

2）测试仪器和探头的性能：

3）调整扫描速度;

4）评判缺陷大小;

4.检测方法和检测等级

焊接接接头内的气孔、夹渣为立体型缺陷，危害较小，裂纹、未熔合、未焊透是面积型缺陷，危害大。在焊接接头检测时，由于焊缝余高的存在及焊缝中的裂纹、未熔合、未焊透等危害大缺陷往往与检测面成垂直或成一定的角度，因此一般检测主要用横波斜探头检测，同时辅助纵波直探头。对于厚度在25～150mm之间的焊接接头一般用K1/K1.5/K2的斜探头，对于探头K值得选择因使声束能扫查到整个焊缝截面，使声束中心尽量与缺陷垂直，保证有足够的检测灵敏度，探头的探查速度一般为150mm/s，扫查灵敏度一般应比基准灵敏度高6dB.

超声波检测技术等级分为A/B/C三个等级，C级为最高等级，一般适用于6～500mm焊接接头的检测，对于中厚板一般选用三种斜度探头双面双侧检测，对于厚度大于40mm的接头应增加直探头检测，焊接接头应进行横向缺陷检测。

三、防治方法

1.制造过程中的主要工艺因素

焊接参数：焊接过程中参数调整不合适很容易造成缺陷产生，尤其是60-150mm这样的大厚板焊接过程中，平焊和横焊时电流应不超过240-280A，焊接探伤焊缝时，电压应适当调大，保证熔池稀薄为宜利于熔池金属中气体快速逸出，从而减少气体残留。焊丝伸出长度保持在10倍焊丝直径为宜，干伸长保持不变是保持焊接稳定的基本条件。

焊接角度：焊接时应尽量保证焊枪嘴与焊缝成垂直状态，角度倾斜过大气体保护不好易形成紊流。减弱气体对熔池的保护作用。

坡口制备：大厚板焊接时坡口制备通常会考虑效率和经济因素。坡口形式应选择时，在保证焊透的前提下，因考虑坡口的形状容易加工、焊接效率高和焊接后工件变形应尽可能小等因素。在大多数焊工能通过的情况下尽可能开小的坡口。坡口通常由三种方法制备：

火焰切割。优点是成本低、效率高、操作简便，但坡口形式、角度单一。

机加工制作。优点是坡口精度高，更适合在角度狭小，视线难以看到的结构中，但加工成本高，切削液及润滑液残留容易引起缺陷产生。

3）碳弧气刨清根，优点是可以视现场结构和焊缝形式随机应变，加工想要的任何尺寸，不受设备限制，但对操作者要求较高，操作难度大。通常情况下坡口内清根处理不光滑会导致易夹碳及夹铜。需要更为严格和细心的打磨。坡口检查干净与否可借助高强光手电，不同角度照射更容易将清根缺陷暴露在视线当中，以便及时去除。

气体保护 ：为防止焊接过程中額外的因素造成气体流量不足，应比平常焊接时气体流量稍大至20-25ml/Min。但保护效果并不是流量越大保护越好，保护气超过临界值，从喷嘴中喷出的保护气会由层流变成紊流，会将空气卷入保护区，降低保护效果，是焊缝出现气孔。

焊接顺序：焊缝只有一次成型的机会，提前规划好焊接方向、长度、先后等。焊接时宜采用倒接头形式，后一道焊缝收弧时在前一道焊缝起弧处摆动并停留一定时间，让熔池存在时间更长，上一道焊缝起头处因温度等原因未完全逸出的气孔及未熔合等缺陷可以消除。

预热及保温：常温下焊接时应预热焊缝两侧100-150mm范围，温度100-150摄氏度左右。在低温及冬季施工时还要增加预热温度150-200摄氏度。低温及冬季施工时须保证构件环境温度在15摄氏度左右。预热能够减少层间温度温差大造成的焊缝快速冷却，减少裂纹的产生。焊接完成后及时准确的保温能够利于减缓焊缝快速冷却造成焊接缺陷的产生。消除应力集中，让更多焊缝中的气体来得及逸出。

2.材料因素

选择质量合格的金属材料有利于增加探伤合格率，如采用非标的金属材料本身就有一定的超标缺陷。

薄板低合金高强度钢焊接性能良好，随着板厚的增加焊接难度也越来越大。首先焊接的层数越多，遍数也越多。接头越多越容易产生焊接缺陷。缺陷的累加导致探伤超标。其次材料越厚，焊缝热传导越快，温度流失加剧。更容易产生裂纹和气孔等缺陷。

焊接起始温度与正式焊接时间不易间隔太久，焊接时间延迟增加热量流失，缺陷产生数量和时间延长成正比。

焊接材料干燥并质量合格，不应超过有效期限以内。焊丝随用随取，不必提前将外包装纸壳去除。提前去除易受潮，返锈。

3.环境因素

正常温度下，焊接作业时按焊接工艺要求执行就好。极端环境条件下不能忽视环境因素带来的不利影响。在西北等寒冷地区，每年的低温时间长，温度低，昼夜温差大，冬期施工难度加大。焊接作业开始前，构件周围环境温度的保持尤为重要。达不到一定的温度应拒绝施焊。

4.操作技能

正确的焊接工艺、良好的操作习惯和丰富的焊接经验是焊接合格焊缝的必要条件。操作前仔细观察焊缝待焊区域处理状况，及时清理含有硫、磷、油脂及切削液等杂志。

 焊接厚板常采用多层多道焊接的方式，它的特殊作用在于焊接时线能量小，能改善接头性能，后一道焊缝对前一道焊缝再次进行加热，相当于对前一道焊缝进行了一次正火处理。施焊前应观察焊缝布局和结构，加焊结束后确定好起焊点。优先采用倒接头的接头方式。后一道焊缝结束时对前一道焊缝起焊点再一次熔化，去除之前遗留的焊接缺陷包括气孔和焊缝边缘部位的未熔合等缺陷。起弧时每层、每道焊缝应错开50mm以上，避免接头缺陷在焊缝内部自下而上集中。

多层多道焊接应提前构思好焊缝布局，保证一次成型。根部窄而深的焊缝焊接时电流小、电压大，摆动过程中注意两侧停留时间略长，电弧扫过两侧熔合线保证根部焊透。厚板焊缝较长时应连续焊接2-3层，稳定焊缝层间温度。根部焊接遇到熔池炸裂时应减缓焊接速度或在炸裂处稍作停留，让熔池停留时间增长残留气体逸出。

焊接难度大不仅是材料厚，坡口深，还在于焊缝背面清根时个人经验以及掌握清根技能的熟练程度。一般情况下多采用碳弧气刨进行清根。操作时吹除铁屑角度、顺序及加工坡口方向决定了坡口内壁是否光滑、夹碳和夹铜。吹除铁屑时焊缝沟槽内氧化渣须反复及时清理，防止氧化渣阻碍气流反弹造成氧化渣及碳棒烧损物吹回到已清理的焊缝。清根顺序宜遵循先扩坡口再修破口、自上而下、先远后近的原则，多层多次避免一次成型遗漏根部缺陷。

5.设备

每次施焊前应检查所有相关气体管路、阀门、气流大小等，保证气体出口流量的稳定。在窄而深的坡口焊接操作中，根部焊缝焊接时可适当修改焊枪保护嘴的形状，由原来的圆型口改为矩形口，利于焊枪更深入焊缝底部，气体保护效果更佳。保护嘴处焊渣须每焊一层清理一次，防止焊渣堆积过多阻碍气道顺畅。

结论

对于典型焊接结构，要保证产品质量好，焊接管理工作必须贯穿整个制造过程。从开始设计-采购原材料-进场检验-编写焊接工艺评定-完成焊接工艺评定-工艺纪律检查-生产制作、产品最终检验等全部过程必须加强检验验证。

熟悉通用二氧化碳气体保护焊设备、掌握生产过程中出现缺陷的成因、注重学习交流行业内优秀焊工师傅的个人见解、了解超声波探伤基本要求更能够指导生产工艺及返修工艺。

提高探伤过关率不仅仅是提升产品内部质量，更是为了最安全、最经济得生产和使用产品。

参考文献

《装备技术》，湖北东风报业传媒有限公司2020.06

王洪光主编，《实用焊接工艺手册》，化学工业出版社，ISBN 978-7-122-183064-4，2013.10

中国焊接协会培训工作委员会组编，《焊工取证上岗培训教材》，北京，机械工业出版社ISBN 978-7 111-03763-7，2008.01

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《NB/T  47013.3-2015承压设备无损检测，第三部分：超声波检测》2015-09-01实施，