全位置焊接气瓶接头焊缝异常缺陷原因分析

全位置焊接气瓶接头焊缝异常缺陷原因分析

万飞虎

佛山市顺德区广沙百福压力容器有限公司广东佛山528306

摘要：气瓶接头与管系的连接采用全位置焊接，采用了带内衬O型环的接头结构，并且通过接头的翻边在焊接过程中充当焊缝填充金属而无需填充焊丝，焊接工艺参数未见异常。气瓶的管接头、导管接头以及内衬O型环，均为0Cr18Ni9不锈钢棒材通过机械加工而成。从图中可以看出，气瓶的管接头与导管接头经全位置焊接后进行X射线检测，发现在焊缝中靠近气瓶管接头的一侧存在较多的焊接气孔。经过补焊，气孔缺陷并不能消除，且有不断增多的现象。

关键词：全位置焊接气瓶；接头焊缝；异常缺陷

为了保障连接的可靠性，气瓶与管系之间的连接采用了全位置焊接技术并设计了专用的带内衬O型环的全位置焊接接头，以解决焊接过程中无法通氩气保护以及焊后无法进行酸洗的问题。焊缝质量是决定气瓶增压系统正常工作的关键，若焊缝出现裂纹、气孔和夹杂等焊接缺陷，将导致焊接接头性能的降低，使其在服役过程中易出现失效。

1试验过程与结果

1.1宏观观察

气瓶接头与管接头经全位置焊接后的宏观形貌，全位置焊缝的外表面呈现亮灰色，具有金属光泽，未见任何异常现象，内衬O型环出现了局部熔透。气瓶接头与管系接头的焊接部位纵向剖切后，焊缝内衬O型环出现了局部熔透现象，形成焊瘤，O型环大部分区域与焊缝发生熔合。此外，在靠近气瓶接头的一侧，母材内表面在距离焊缝熔合线约42mm的范围内可以观察到呈断续分布的灰色附着物，个别区域呈现流痕状。在焊缝其他区域以及管系的导管接头一侧，并未发现类似的附着物以及流痕状特征。气瓶接头与管系接头全位置焊缝中的气孔形貌特征，可见焊接气孔主要分布在焊缝的熔合区，且尺寸较大。

1.2微观观察及能谱分析

将剖切的全位置焊接接头置于扫描电镜下观察微观形貌并进行能谱分析。全位置焊缝底部O型环表面及其附近母材区域均呈现氧化的形貌，氧化层较为疏松；焊缝截面上气孔呈圆形，在气孔的内壁有一层附着物；气瓶接头内壁表面流痕状附着物形貌。对以上各区域进行能谱分析，结果表明：在焊缝表面的氧化层和气孔内壁上的附着物，除基体成分Fe、Cr、Ni元素及O元素外，明显可见F元素的存在；在气瓶接头一侧的内部上附着的灰色附着物主要含有C、F元素，应为有机物。相比之下，其他区域除基体元素以外并未见F元素的存在。综上可以看出，焊缝表面的氧化物、气孔内壁的附着物以及气瓶接头内标的灰色流痕都具有共同的特点，均含有大量的F元素。

1.3红外光谱分析

为了进一步验证F元素的来源，对焊缝表面的氧化物、焊接气孔内部的附着物以及气瓶接头侧内壁上的灰色附着物进行红外光谱分析。含F的附着物主要组分为聚四氟乙烯。

2分析与讨论

气瓶接头与管系接头的全位置焊接焊缝中，通过X射线检测和剖切检查，均发现在焊缝熔合区存在超标的气孔，补焊后呈现气孔数量增多、尺寸增大的现象。剖切检查结果表明：1）在气瓶接头一侧的焊缝熔合区内，分布着不同尺寸的圆形气孔，并且在越靠近焊缝表面处气孔的尺寸越大；2）在全位置焊接接头内部，内衬O型环存在局部熔透的现象，O型环内壁形成疏松的氧化皮，而气瓶接头一侧的内壁上则存在灰色的附着物并呈流痕状。

对内衬O型环上的氧化物、气孔内壁上的附着物，以及靠近气瓶接头一侧的内部上的灰色附着物进行能谱分析，结果表明：除了基体金属元素和O元素外，均含有大量的F元素。对这些氧化物和附着物进行红外光谱分析，尤其是在气瓶接头一侧内部呈现流痕状的灰色附着物，其主要组分为聚四氟乙烯。聚四氟乙烯主要分布在从焊缝熔合区向气瓶侧延伸的42mm的范围内，而从此处往气瓶侧继续延伸直至末端均未发现F元素。因此，可以初步判定污染源来自于气瓶接头的端口。

对各生产环节进行检查时，发现气瓶接头在出厂前需要进行气密检查的试验，在此过程中要求在接头处涂抹润滑脂密封，润滑脂的主要成分为聚四氟乙烯。涂抹的润滑脂在充气气流的作用下，可能会进入气瓶管接头前端，由于充压造成气瓶温度上升，再加上高压气流作用，会造成进入气瓶管接头前端处的润滑脂发生流化，在气流冲刷下气瓶管接头端口的焊接部位台阶处形成油脂膜状流痕。

在全位置焊接前，通常采用酒精清理接头表面的浮灰等所有物，但是油脂性的聚四氟乙烯不能完全清除。在焊接过程中，随着接头附近温度的升高，润滑脂聚四氟乙烯沿着管壁向焊接部位流动，成为焊缝中形成气孔的气体主要来源，同时在管壁上形成明显的流痕状附着物。在诸如润滑脂的油脂类杂质中通常富含碳氢化合物，在焊接过程中受热分解，形成氢。随着温度的变化，氢在液态金属中的溶解度显著变化，在相变点处溶解度发生突变。在熔池高温的熔融状态下，液态金属中溶解大量的氢，随着焊接过程的进行，熔池前移，温度逐渐降低，氢的溶解度急剧降低导致过饱和状态的氢不断析出，经历气泡的生核、长大和上浮的过程。当液态金属的温度急剧降低并逐渐凝固，气泡的上浮、逸出速度低于液态金属的凝固速度，则残留在焊缝中形成焊接气孔。因为焊接过程中气泡经过不断长大并上浮逸出的过程，因而靠近焊缝表面的焊接气孔尺寸较大。采用全位置焊接进行整圈补焊时，焊缝中原有的气孔继续长大和逸出，但是未消耗完的润滑脂继续提供氢源，继续进行上述过程，并且在焊缝的冷却过程中形成新的焊接气孔，因而呈现出补焊时焊接气孔增多的趋势。

3问题复现及相应改进措施

3.1润滑脂多余物现象复现

为了进一步验证气瓶接头与管系接头全位置焊接焊缝中的焊接气孔是气瓶气密试验时在气瓶接头端部涂抹润滑脂而残留引起的，对整个过程进行故障复现。首先对气瓶接头的内腔表面进行内窥检查，确认表面光洁无油脂污染物的残留，再按照之前的涂抹量和涂抹方法，将润滑脂涂抹在转接头球头部位并用压力试验台进行模拟充气，充气后用内窥镜进行观察。由图7可见，在气瓶接头的内腔靠近管口处（前端）存在明显的润滑脂残留多余物，而在远离管口（后端）的内表面并未见残留润滑脂多余物。因此，残留润滑脂多余物的形成过程得以复现。

3.2润滑脂造成焊缝气孔缺陷超标现象的复现

为复现气瓶接头与管系接头全位置焊接焊缝中的焊接气孔是由气瓶接头内表面的润滑脂残留所致，进行全位置焊接验证试验。在带内衬O型环的接头内表面靠近焊缝的区域涂抹少量的润滑脂，使用正式产品焊接箱体的焊接程序进行验证试验件的焊接，并对焊接接头进行X射线检测。从图8试验结果中可以看出，在焊缝中发现大量的焊接气孔缺陷，焊接气孔的形态以及分布特征与正式产品中出现的超差焊接气孔相同。由此可见，气瓶接头与管系接头全位置焊接焊缝中的气孔缺陷得到复现，进一步验证焊缝中的焊接气孔缺陷是在气瓶气密过程中涂抹的润滑脂残留所引起的。

3.3改进措施

为了确保气瓶接头与管系接头全位置焊接的焊缝质量，在气瓶接头的气密试验过程中可以采用绸布蘸取酒精溶剂进行反复的擦洗，直至目视无润滑脂残留，并增加一道内窥镜检查确认，确保无润滑脂多余物残留。通过此项改进措施后，未见同类故障再次发生。

4结论

1）气瓶接头与管系接头全位置焊接焊缝中的焊接气孔是典型的氢气孔，气瓶接头在进行气密试验时残留的润滑脂是造成焊接过程中形成气孔的主要原因。

2）在气瓶的气密试验后，通过绸布蘸取酒精溶剂进行反复擦洗，并增加一道内窥检查镜确认，确保润滑脂完全清除，可以有效避免焊接气孔的形成。

参考文献：

[1]岳建锋，李亮玉，刘文吉，等。全位置焊高频励磁装置工作特性分析[J].焊接学报，2015，36（1）：31-34.

[2]白天，阴中炜，王冰，等。航天用气瓶、贮箱分类及制造技术[J].宇航材料工艺，2015，45（5）：14-18.

[3]麻春英。奥氏体不锈钢的焊接缺陷分析及防治措施[J].热加工工艺，2015，44（17）：243-246.