陳明健，楊吉梅，周欽凱

（合肥通用機(jī)械研究院；國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心；安徽省壓力容器與管道安全技術(shù)省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230031）

1 設(shè)備概況及缺陷性質(zhì)

加氫厚壁設(shè)備，內(nèi)徑2800 mm，筒體壁厚183 mm，筒體材料 SA516 Gr.70（HIC），接管法蘭為整體鍛件，材料 16Mn（HIC）Ⅲ，窄間隙V形坡口。里口采用SMAW焊接，直徑4 mm焊條J507SH，電流 150～170 A，電壓 22～24 V，焊接速度 180～200 mm/根。外口采用SAW焊接，焊絲和焊劑為H09MnSH/Φ4+SJ204SH，電流 550～600 A，電壓 32～34 V，焊接速度 50～55 cm/min，層間溫度在100～200℃，焊后爐內(nèi)中間消應(yīng)力620℃×2 h，消應(yīng)力熱處理后射線檢測(cè)（RT），設(shè)備筒體共有12個(gè)接管，接管分布如圖1所示，其中已焊接的11個(gè)接管與筒體對(duì)接焊縫，均存在夾渣、未熔合、氣孔等缺陷，另有1個(gè)接管未焊接。

圖1 接管分布及焊縫位置

2 焊接缺陷原因分析

接管與筒體之間是對(duì)接形式連接，主要采用埋弧自動(dòng)焊方法焊接，焊縫缺陷主要有未熔合、條渣、氣孔3種形式。窄間隙自動(dòng)焊主要優(yōu)點(diǎn)是效率高、成本低，熱量輸入相對(duì)較小，冷卻速度較快，接頭殘余應(yīng)力、殘余變形小，熱影響區(qū)縮小，接頭力學(xué)性能高，焊接質(zhì)量好。但由于母材厚183 mm，坡口寬度窄，焊接時(shí)形成很大的剛性拘束力，焊接工藝參數(shù)一旦控制不當(dāng)，極易產(chǎn)生缺陷。同時(shí)，坡口深、光線暗、法蘭盤外徑與焊縫尺寸接近等因素，給焊工操作上帶來難度。制造廠曾經(jīng)有焊接此種鋼厚壁接管的成功業(yè)績(jī)，但大范圍出現(xiàn)缺陷，這與焊接操作人員對(duì)此種窄間隙厚壁焊接參數(shù)控制不準(zhǔn)確、工藝掌握不熟練有關(guān)。另外，制造單位因趕進(jìn)度，11個(gè)接管同時(shí)晝夜施焊，而非試焊一件檢測(cè)合格或者發(fā)現(xiàn)問題調(diào)整焊接工藝后再大范圍同時(shí)施焊，也是造成大范圍產(chǎn)生缺陷的原因。

2.1 夾渣產(chǎn)生原因分析

焊接電壓過高時(shí)，電弧能量集中性下降，金屬的熔化深度變淺，兩側(cè)母材與底層焊道之間的結(jié)合部位有時(shí)存在未熔化現(xiàn)象。由返修的位置也可以看出，返修全部出現(xiàn)在焊縫與母材結(jié)合部位。條渣產(chǎn)生的原因主要是焊接電流、焊接電壓、焊接速度選擇不合適。焊接電流過大和焊接速度過快時(shí)，過大的電弧能量能將兩側(cè)母材金屬表面熔化過深而形成凹槽，焊接速度過快時(shí)，因凹槽內(nèi)不能及時(shí)得到液態(tài)金屬的填充而被熔渣充滿，在下一步的清渣過程中，無論清渣是否徹底，由于凹槽的存在，焊接下一焊道時(shí)這個(gè)部位極易出現(xiàn)夾渣。如果焊接電壓過低，電弧能量過于集中，焊出的焊道中間高兩側(cè)低，焊下一道時(shí)，兩側(cè)較低的位置也可能會(huì)形成夾渣。采用多層多道焊的形式，在有限空間內(nèi)，焊道布置不合理，搭接量不均勻，造成焊縫產(chǎn)生夾渣。

2.2 氣孔產(chǎn)生原因

焊接過程中由于各種元素成分的相互作用，熔池和熔渣中可能析出一定的氣體，正常情況下，這些氣體從熔渣中析出后會(huì)進(jìn)入熔渣和焊劑層中，焊縫內(nèi)不會(huì)存留氣體，窄間隙焊時(shí)，由于熔池的冷卻速度較快，熔池內(nèi)的氣體有時(shí)在沒有來得及析出時(shí)就已被凝固在焊縫中而成為氣孔。焊材中的濕氣也是產(chǎn)生氣孔的原因之一。由于焊接晝夜連續(xù)施工，焊劑補(bǔ)充不及時(shí)，或在使用過程中保管不當(dāng)致使少量焊劑受潮產(chǎn)生氣孔。

2.3 未熔合產(chǎn)生原因

局部未熔合產(chǎn)生在靠近接管側(cè)，主要是由于焊工操作不當(dāng)造成，在施焊過程中，由于擔(dān)心焊槍與工件間短路，焊接操作時(shí)焊嘴未能完全靠近接管側(cè)，造成焊道與接管間形成未熔合。

3 焊接返修

3.1 采用超聲波檢測(cè)（UT）直探頭技術(shù)按射線檢測(cè)底片所反應(yīng)缺陷性質(zhì)確定缺陷位置，確保缺陷全部清除干凈。

3.2 用碳弧氣刨清除缺陷，根據(jù)缺陷所在深度，僅A11從焊縫內(nèi)側(cè)清除缺陷，其他10條焊縫從外側(cè)清除缺陷。缺陷清除時(shí)，先詳細(xì)記錄缺陷的性質(zhì)、數(shù)量，并與RT、UT檢測(cè)報(bào)告對(duì)照，在缺陷存在區(qū)域做好標(biāo)記線，沿標(biāo)記線將焊縫內(nèi)缺陷徹底清除，記錄缺陷清除處具體位置、區(qū)域大小及深度，砂輪打磨缺陷清除處與周邊金屬平緩過渡，缺陷清除處MT，坡口及筒體側(cè)100 mm范圍內(nèi)UT。缺陷清除后，大部分缺陷是整圈都存在。焊縫清除處深度范圍（40～149 mm），焊縫清除處寬度范圍（42～108 mm），殼體和接管肩部外圓有部分損傷，局部因清除缺陷產(chǎn)生豁口，采用堆焊的達(dá)到坡口平滑，但不能保留原坡口尺寸。原焊接坡口如圖2所示，缺陷清除后，坡口及肩部剩余尺寸見圖3，缺陷清除后情況見圖4、圖5。因缺陷清除較深且寬度大，A1，A3，A4，A11的4個(gè)接管焊接上下坡口寬度過大，且接管與殼體焊接的肩部不能保留，重新選材鍛造接管，更換的新接管內(nèi)徑不變，與殼體焊接位置外徑增大，即接管肩部增厚，保證窄原間隙坡口尺寸。其余7個(gè)接管可保留接管肩部尺寸，焊縫寬度亦可保證焊接強(qiáng)度及質(zhì)量，保留原接管。

3.3 經(jīng)超聲波檢測(cè)（UT）、磁粉檢測(cè)（MT）確認(rèn)所有接管缺陷全部清除干凈后將該設(shè)備中間消應(yīng)620±20℃×（1.5～2）h。

3.4 針對(duì)設(shè)備壁厚183 mm，焊接裂紋傾向嚴(yán)重，為減緩焊縫金屬的殘余應(yīng)力，在施焊過程中采用焊條電弧焊補(bǔ)焊，從焊道的布置、焊接次序、焊材選擇、焊縫結(jié)晶及收縮等方面考慮如何減緩焊接殘余應(yīng)力，而不是單純等待焊后熱處理來消除應(yīng)力。

圖2 返修前坡口形式

焊接順序：焊接前用不銹鋼絲刷清理坡口、焊道之間、焊層之間表面。焊接預(yù)熱100～150℃，待焊處周邊內(nèi)外兩側(cè)≥150 mm范圍內(nèi)均達(dá)到預(yù)熱溫度時(shí)方可施焊。

圖3 缺陷清除后坡口形式

先對(duì)筒體母材缺肉豁口處進(jìn)行補(bǔ)焊，使筒體坡口形成較規(guī)則形狀，然后組對(duì)重新鍛造的接管，焊接時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行焊條規(guī)范參數(shù)，降低焊接線能量。將原補(bǔ)焊全部采用的直徑5 mm焊條換成部分采用直徑4 mm的焊條，從而使起始區(qū)段補(bǔ)焊焊道的焊縫晶粒細(xì)化，提高韌性儲(chǔ)備。焊接時(shí)，采用單道排焊方式，以避免夾渣和未熔合現(xiàn)象的產(chǎn)生。具體焊接參數(shù)見表1。

圖4 焊縫A11缺陷清除后外觀

為減小焊接應(yīng)力，由兩位焊工（持證項(xiàng)目：SMAW-Ⅱ-6G（K）-13/57-F3J）分別站在A、B兩點(diǎn)向相鄰位置以接管中心線為基準(zhǔn)對(duì)稱施焊，當(dāng)?shù)谝粚雍附雍?，如粗?shí)線所示意，再從第一層的終點(diǎn)位置向同一區(qū)域起點(diǎn)位置焊接，如細(xì)實(shí)線所示，采用上述順逆時(shí)針交錯(cuò)反復(fù)焊接直至將該焊縫全部焊完（圖6）。采用上述方法焊接時(shí)需注意焊縫搭接處要平緩過渡避免有尖角或空隙存在。

圖5 焊縫A10缺陷清除后外觀

表1 焊接參數(shù)

焊接時(shí)選用焊接技能較高且具有豐富返修經(jīng)驗(yàn)的焊工。對(duì)于該焊縫應(yīng)力大且復(fù)雜，為防止冷裂紋、焊接接頭淬硬及氣孔的產(chǎn)生。加強(qiáng)焊接預(yù)熱、層間溫度的控制以及焊后消氫。嚴(yán)格控制層間溫度在100～200℃，特別是后熱的寬度范圍要擴(kuò)大，以便使臨近焊縫的母材受熱膨脹，來補(bǔ)償焊縫金屬收縮所需的應(yīng)變，也使氫充分逸出。焊工用測(cè)溫筆隨時(shí)測(cè)量、檢查人員紅外線測(cè)溫儀隨時(shí)監(jiān)控，測(cè)溫點(diǎn)位置如圖7，圖8所示，焊接中斷時(shí)需維持最低預(yù)熱溫度。

3.5 待接管與筒體焊縫全部焊完進(jìn)爐中間消應(yīng)力熱處理，升溫速度78.3℃/h，升溫至620℃保溫3 h，降溫速度78℃/h，單個(gè)接管與殼體焊后需維持最低預(yù)熱溫度直至進(jìn)爐為止。

3.6 焊縫檢查。外觀檢查無以下可見缺陷：表面裂紋、未焊透、未熔合、表面氣孔、弧坑、未填滿、夾渣和飛濺物，焊縫與母材圓滑過渡。射線檢測(cè)（RT）、超聲波檢測(cè)（UT）、磁粉檢測(cè)（MT）按 JB/T 4730-2005標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行檢查，按圖紙要求RT、UT、MT均為Ⅱ級(jí)合格。硬度檢查合格，硬度檢查位置沿焊縫周向取4處，每處取焊縫熱影響區(qū)和母材，每點(diǎn)打5個(gè)硬度值，每個(gè)硬度值之間相距10 mm，取5個(gè)數(shù)值的平均值為該處的硬度值，硬度值要求≤200 HB。

圖6 對(duì)稱焊接示意圖

圖7 筒體內(nèi)部測(cè)溫點(diǎn)分布

3.7 全部接管焊接合格后進(jìn)行焊后熱處理（PWHT），設(shè)備整體入爐熱處理，升降溫速度78.3℃/h，升溫至620℃，保溫2.5 h，降溫速度78℃/h。PWHT后對(duì)焊接接頭進(jìn)行UT、MT復(fù)測(cè)，確認(rèn)未出現(xiàn)裂紋等缺陷，合格。

4 結(jié)論

圖8 筒體外部測(cè)溫點(diǎn)分布

加氫厚壁接管焊接，因材料焊接裂紋傾向、窄間隙、焊接時(shí)結(jié)構(gòu)受限和焊接操作工人經(jīng)驗(yàn)等原因，易產(chǎn)生缺陷，一旦出現(xiàn)缺陷，返修成為較難問題，在去除缺陷時(shí)會(huì)對(duì)原來母材造成損傷，坡口尺寸會(huì)擴(kuò)大，增加了焊接量的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多的焊接應(yīng)力，因此盡量確保一次焊接合格。接管的焊接應(yīng)逐一進(jìn)行，一旦發(fā)現(xiàn)缺陷可及時(shí)糾正處理，不至于產(chǎn)生大范圍的缺陷和返修。

窄間隙自動(dòng)焊采用窄間隙坡口，焊縫截面積小，既節(jié)省填充金屬，又減小焊接應(yīng)力，焊縫金屬中積聚的氫也較少。為了避免產(chǎn)生未熔合缺陷，也有文獻(xiàn)提到選用雙絲窄間隙自動(dòng)焊，彎絲指向側(cè)壁，保證了側(cè)壁熔透。直絲垂直向下，用以控制焊縫成形，使焊縫呈下凹形，不易產(chǎn)生未熔合、夾渣等缺陷。

［1］ 趙博等.窄間隙 GMAW 的研究進(jìn)展［J］.焊接，2008，（2）：11-14.

［2］ 呂少軍等.單位窄間隙埋弧自動(dòng)焊的質(zhì)量控制［J］.現(xiàn)代焊拉，2012，（8）：42-44.

［3］ 伍小龍等.厚壁容器的雙絲窄間隙埋弧焊［J］.壓力容器，2003，20（3）：27-31.