李雙燕， 張茂龍

上海電氣核電設(shè)備有限公司 上海 201306

1 埋弧自動焊特點

埋弧自動焊的焊接原理為電弧在焊劑層下燃燒，用機械自動引燃電弧并進行控制，完成焊體的送進和電弧移動。埋弧自動焊具有焊接生產(chǎn)率高、焊接質(zhì)量佳、勞動條件好等特點，在焊接領(lǐng)域，相比其它自動焊技術(shù)較為成熟，是當今生產(chǎn)效率較高的機械化焊接方法之一，在造船、鍋爐、化工容器、橋梁、起重機械、冶金機械、海洋結(jié)構(gòu)及核電設(shè)備中應(yīng)用廣泛。雖然埋弧自動焊技術(shù)較為成熟，但若焊接工藝控制不好，也會出現(xiàn)氣孔、夾渣、裂紋等缺陷。筆者對大厚度接管與大直徑筒體埋弧自動焊出現(xiàn)的裂紋缺陷進行分析，并給出預(yù)防缺陷產(chǎn)生的具體措施。

2 埋弧自動焊工藝流程

某核電工程項目承壓設(shè)備接管與筒體材料均為SA508Gr3CL2錳鎳鉬低合金高強鋼鍛件，筒體外徑為6398mm，厚度為139mm。接管外徑為 1100mm，厚度為140mm。如圖1所示，對接時的坡口設(shè)置為雙面U形坡口，采用φ4.0mm低合金鋼焊體進行埋弧自動焊，焊接位置為平焊。焊接時的順序為先進行外壁埋弧自動焊，再內(nèi)壁清根，然后進行內(nèi)壁埋弧自動焊。焊接電流為500～600A，電壓為28～34V，速度為400～500mm/min。焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度≥150℃。焊后去氫處理，溫度為250～350℃，時間至少4h，然后進行100%磁粉檢測、100%超聲檢測和100%射線無損檢測。熱處理后再進行一次100%磁粉檢測、100%超聲檢測和100%射線無損檢測[1-2]。埋弧自動焊焊接接頭如圖2所示。

圖1 對接坡口示意圖

圖2 埋弧自動焊焊接接頭

3 焊接缺陷

接管與筒體對接埋弧自動焊后進行無損檢測，未發(fā)現(xiàn)缺陷，熱處理后磁粉檢測發(fā)現(xiàn)，在接管與筒體對接焊縫內(nèi)壁熔合線區(qū)域有多處線性，長度為20～30mm，如圖3所示。對其中一個磁粉檢測缺陷區(qū)域進行滲透檢測，發(fā)現(xiàn)存在線狀顯示，如圖4所示。滲透檢測與磁粉檢測缺陷位置基本重合。

圖3 磁粉檢測缺陷

圖4 滲透檢測缺陷

對滲透檢測缺陷區(qū)域進行現(xiàn)場金相觀察，采用5%～10%硝酸酒精腐蝕，在拋光后用肉眼可觀察到位于焊縫熔合線位置有細長裂紋存在，長度約 20mm。對裂紋進行金相觀察，通過顯微鏡發(fā)現(xiàn)裂紋位于焊縫熔合線上，裂紋細長，如圖5所示。

圖5 金相檢查情況

對現(xiàn)場金相觀察區(qū)域進行硬度測試，測量設(shè)備為MH210硬度計。以焊縫中心線為基準，傾斜45°劃線，上下方各取10個硬度點，間距2mm。每個硬度點進行5次硬度測量，取平均值。共標記測量5條硬度線，其中1條硬度線標記在正常焊縫上，其余4條硬度線標記在有缺陷焊縫上，并穿過缺陷區(qū)域。4條硬度線如圖6所示。硬度測試結(jié)果顯示，在焊縫中心線區(qū)域，維氏硬度(HV)為258～302；在焊縫中心線至熔合線之間，維氏硬度(HV)為220～280；在缺陷位置處，維氏硬度(HV)為359～456。

圖6 硬度線示意圖

選取其中一處磁粉檢測缺陷位置進行拋磨，每拋磨1mm后立即進行磁粉檢測。拋磨深度為 3mm 時，磁粉檢測合格，缺陷顯示消失，表明該缺陷位于接頭近表層。

4 缺陷分析

4.1 缺陷性質(zhì)

根據(jù)探傷缺陷分布顯示，磁粉檢測顯示缺陷位置多發(fā)生于起弧收弧端的焊縫熔合線附近，大部分為細長形，長度均在20mm左右。在磁粉檢測區(qū)域進行滲透檢測，發(fā)現(xiàn)滲透檢測缺陷位置與磁粉檢測基本重合，可以判斷為表面開口缺陷，形狀同樣為細長。對于滲透檢測缺陷位置，觀察其金相組織，確認該缺陷位于焊縫熔合線上，缺陷形狀為細長，屬于焊接裂紋，而非未熔合。通過超聲檢測及缺陷拋磨，可知該缺陷位于焊縫近表層。對焊縫裂紋處進行硬度測量，顯示裂紋區(qū)域維氏硬度(HV)高達350以上，遠高于焊縫區(qū)域。根據(jù)以上結(jié)果，可判斷該缺陷屬于焊趾裂紋。

如圖7所示，焊趾裂紋是焊縫表面與母材交界處產(chǎn)生的熔合線開裂，產(chǎn)生在母材和焊縫交界處的應(yīng)力集中部位，在熱影響區(qū)內(nèi)向板厚方向縱向擴展，止于熱影響區(qū)的外部邊緣。裂紋的取向經(jīng)常與焊縫縱向平行，一般由焊趾的表面開始，向母材的深處延伸[3]。

圖7 焊趾裂紋示意圖

4.2 裂紋產(chǎn)生原因

焊縫金屬冷卻過程中或冷卻以后，在母材或母材與焊縫交界的熔合線上產(chǎn)生的焊趾裂紋屬于冷裂紋，這類裂紋有可能在焊后立即出現(xiàn)，也有可能在焊后延遲出現(xiàn)。焊趾裂紋屬于冷裂紋中延遲裂紋的一種，延遲裂紋的出現(xiàn)與焊縫金屬中的氫含量、焊接接頭所承受的拉應(yīng)力、由鋼材淬硬傾向決定的金屬塑性儲備有關(guān)[4-9]。

4.2.1 焊縫金屬中氫含量

對每一既定成分組合的母材和焊縫金屬，其塑性儲備是一定的，產(chǎn)生延遲裂紋有一個孕育期，這一期間的長短，取決于焊縫金屬中擴散氫的含量與焊接接頭所處應(yīng)力狀態(tài)的交互作用。相對于某一應(yīng)力狀態(tài)，焊縫金屬中含氫量越高，裂紋的孕育期越短，裂紋傾向就越大；反之，含氫量越低，裂紋孕育期越長，裂紋傾向就越小。當應(yīng)力狀態(tài)惡劣、拉應(yīng)力水平高時，即使含氫量比較低，經(jīng)過不長的孕育期，仍會產(chǎn)生裂紋。決定延遲裂紋是否產(chǎn)生，存在一個臨界氫含量與臨界應(yīng)力值。當氫含量低于臨界氫含量時，只要拉應(yīng)力低于強度極限，孕育期將無限長，實際上不會產(chǎn)生延遲裂紋。同樣，當拉應(yīng)力低于臨界應(yīng)力值時，孕育期也無限長，即使氫含量相當高，也不易發(fā)生延遲裂紋。由于產(chǎn)品焊縫所采用的焊材為超低氫焊材，焊材的儲存和領(lǐng)用均有嚴格的管理規(guī)定，預(yù)熱和后熱溫度均在工藝要求的范圍之內(nèi)，因此氫含量為定值，且氫含量很低，低于臨界氫含量。若拉應(yīng)力達不到臨界應(yīng)力值，在近焊縫區(qū)母材塑性儲備值較高的情況下，不易產(chǎn)生氫致延遲裂紋的情況。

4.2.2 焊接接頭拉應(yīng)力

接管與筒體馬鞍形焊縫結(jié)構(gòu)具有特殊性，接管內(nèi)壁為典型的高拉應(yīng)力集中區(qū)。從現(xiàn)場金相圖中可以發(fā)現(xiàn)，裂紋起源于焊趾部位的應(yīng)力集中處，從表面出發(fā)，向厚度的縱深方向擴展，止于焊接接頭近焊縫區(qū)粗晶部分的邊緣。母材近焊縫區(qū)裂紋多為沿晶粒邊界發(fā)展，裂紋走向決定于最大應(yīng)力方向，因而裂紋一般表現(xiàn)為沿縱向單道發(fā)展。一條觀察到的具有相當尺寸的裂紋是許多裂紋源形成的微裂紋的集合。焊接應(yīng)力是產(chǎn)生焊接裂紋的根本原因，由于馬鞍形焊縫結(jié)構(gòu)的特殊性，焊接應(yīng)力復(fù)雜，因此更容易產(chǎn)生焊趾裂紋。

4.2.3 金屬塑性儲備

在焊接條件下，可以根據(jù)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線來預(yù)先確定焊接接頭近焊縫區(qū)金屬的組織狀態(tài)，從而衡量材料所具有的塑性儲備。慢的冷卻速度有利于塑性高的貝氏體生成，提高材料的塑性變形能力。

討論金屬塑性儲備的作用時，需要考慮晶粒度的作用。在焊接條件下，近焊縫區(qū)母材金屬由于熱循環(huán)的過熱作用，晶粒變得粗大，損耗自身塑性儲備，降低在較低溫度下的韌性。對于焊縫金屬，原始組織是一次結(jié)晶的粗大柱狀晶體，焊接熱循環(huán)的再熱將起到細化原始柱狀晶體的作用，因而熱循環(huán)的過熱作用對金屬塑性儲備的損害要比對近焊縫區(qū)金屬原始細晶粒所造成的損害小得多。母材近焊縫區(qū)晶粒粗大，晶界面積減小，單位晶間面積所含的偏聚元素量或晶間脆性相的量增大，更使金屬的塑性儲備降低，使裂紋易于在晶界萌生發(fā)展?？梢?，在焊接接頭金屬中，晶粒粗大的近焊縫區(qū)金屬塑性儲備最低，抵抗裂紋發(fā)展的能力也最弱。

接管與筒體的焊道較寬，焊接時熱輸入量較大，造成熔池溫度較高，近焊縫區(qū)母材奧氏體晶粒較為粗大，降低了金屬的塑性儲備，同時也減弱了金屬在較低溫度下的韌性，增大了開裂的傾向。根據(jù)現(xiàn)場硬度測量數(shù)據(jù)可知，由于焊接時熱輸入量很大，過冷度較大，淬硬傾向大，同時這一區(qū)域的轉(zhuǎn)變實際上是在周圍已完成冷卻轉(zhuǎn)變的金屬剛性約束下進行的，因此加劇了應(yīng)力狀態(tài)，使近焊縫區(qū)金屬的塑性儲備進一步降低，增加了開裂的傾向。

4.3 焊接過程

4.3.1 加熱方式

接管與筒體馬鞍形焊縫采用的預(yù)熱方式為火焰局部加熱，且加熱過程中火炬僅進行整圈加熱，加熱面積不足，加熱區(qū)溫度高，非加熱區(qū)溫度低，溫度梯度大，易產(chǎn)生較大的焊接約束應(yīng)力。接管外壁焊接蓋面層磁粉檢測未出現(xiàn)缺陷，而內(nèi)壁出現(xiàn)缺陷，原因為內(nèi)外壁散熱情況不同，在相同焊接熱輸入量的條件下，外壁容易散熱，內(nèi)壁散熱慢，造成熱量集中，使加熱區(qū)域與非加熱區(qū)域的溫度梯度加大。焊接結(jié)束后，采用火焰加熱進行后熱，保溫時間如果不充足，擴散氫無法充分逸出，繼而埋下產(chǎn)生延遲裂紋的隱患。焊縫金屬中氫含量越大，裂紋的孕育期越短，裂紋傾向就越大；反之，氫含量越小，裂紋孕育期越長，裂紋傾向就越小?？梢?，加熱面積小、溫度梯度大是造成焊趾裂紋出現(xiàn)的原因之一。

4.3.2 焊接參數(shù)控制

在整個接頭的焊接過程中，實際施焊的焊接參數(shù)中電流為592A，接近焊接工藝規(guī)程中要求的焊接電流上限600A，造成蓋面層焊接熱輸入量過大，焊道較寬，焊道排布數(shù)量減少，近表層熔合線附近區(qū)域晶粒粗大。在蓋面層焊接時，為避免應(yīng)力集中，應(yīng)該降低焊接熱輸入量，減小焊接電流，控制焊接速度，增加焊道數(shù)量，這樣可有效避免裂紋產(chǎn)生，且避免蓋面焊道數(shù)量少、寬度大、長度長。圖8為早期工程項目與目前項目接管與筒體焊接接頭內(nèi)壁蓋面層對比照片，可以看出，目前工程項目焊道排布更加緊湊，焊縫寬度窄，焊接熱輸入量小，可以有效改善焊縫的應(yīng)力集中，有效減小產(chǎn)生延遲裂紋的概率。

4.4 分析結(jié)論

綜上所述，接管與筒體對接焊縫焊后產(chǎn)生焊趾裂紋缺陷的主要原因為： ① 接頭厚度大，焊接時應(yīng)力較大；② 加熱不均勻；③ 蓋面層焊接時熱輸入量較大。

圖8 焊接接頭內(nèi)壁蓋面層對比

5 應(yīng)對措施

對于大厚度接管與大直徑筒體對接的埋弧自動焊，可從五個方面加強工藝過程控制，以獲得滿意的焊接接頭質(zhì)量[10]。

(1) 降低焊縫金屬中的氫含量。焊接材料的儲存和領(lǐng)用按相應(yīng)規(guī)程進行，焊接過程中控制熱輸入量，利于氫的逸散，焊后及時進行后熱去氫處理。

(2) 減小近焊縫區(qū)母材淬硬傾向。提高預(yù)熱溫度，由原來的≥150℃提高至≥175℃，防止過冷度大，進而導(dǎo)致近焊縫區(qū)母材淬硬傾向大。熱溫度區(qū)間由250～350℃提高至350～400℃，以減緩冷卻速度。焊接過程中，控制熱輸入量，防止近焊縫區(qū)母材晶粒過于粗大，增大晶間結(jié)合力。

(3) 降低焊接接頭所承受的拉應(yīng)力。預(yù)熱和后熱，沒擴大焊縫兩側(cè)的加熱范圍，并均勻布置加熱源，設(shè)置足夠的保溫材料，以減小溫度梯度。對于雙U形焊縫，一側(cè)焊完后立即進行一次中間熱處理，及時消除應(yīng)力。焊后及時進行焊后熱處理，消除應(yīng)力。焊接過程中，控制熱輸入量，減小局部應(yīng)力。

(4) 降低蓋面層的焊接熱輸入量。區(qū)分打底層、填充層與蓋面層的焊接參數(shù)。如圖9所示，焊接順序①的打底層和焊接順序②的填充層的電流為500～600A，焊接順序③的蓋面層的電流為500～550A。 蓋面層焊接時采用低熱輸入量，減小焊道寬度，增加排道數(shù)量，以減小應(yīng)力集中，以及焊接熱影響區(qū)過熱區(qū)的晶粒。同時規(guī)定蓋面層的焊接順序、焊道尺寸及焊道分布，焊道分布如圖10所示。接頭最終幾層進行焊接時，蓋面層包括兩部分焊道： 第一部分焊道為蓋面焊道，焊接厚度為6mm或兩層；第二部分焊道為退火焊道。采用退火焊道排道方法，能夠避免試件焊接完成后未能及時進行中間熱處理或最終熱處理而導(dǎo)致的焊趾裂紋。焊接時，從坡口的側(cè)面開始焊接，然后焊至中央。

圖9 焊接順序示意圖

圖10 蓋面層焊道分布示意圖

搭接焊道伸出坡口邊緣距離為5～10mm，如圖11 所示。如果需要蓋面焊道的第二層為多個焊道，蓋面焊道的焊接順序為先從搭接焊道的側(cè)面開始焊接，然后焊至中央。

圖11 蓋面層搭接焊道示意圖

退火焊道構(gòu)成熔敷金屬的最后層，焊接順序為先焊接坡口左側(cè)的焊道A，A搭接在焊道①上；再焊接坡口右側(cè)的焊道B，B搭接在焊道②上；最后焊接焊道C，C搭接在A和B上。退火焊道搭接后距離搭接焊道邊緣的距離為搭接焊道寬度L的1/3，最大為10mm，如圖12所示。如果蓋面層需要多個退火焊道，退火焊道的焊接應(yīng)先從退火焊道的側(cè)面開始焊接，然后焊至中央。

圖12 蓋面層退火焊道示意圖

(5) 細化工藝操作。預(yù)估焊道排布，避免出現(xiàn)側(cè)壁焊接死角，道間清渣和側(cè)壁修磨到位，對弧坑及成形不良區(qū)域及時修磨。對坡口圓周進行加工打磨，使其與坡口內(nèi)表面圓滑過渡，便于蓋面層焊道熔滴過渡，增強熔池流動性。蓋面焊接前打磨前道焊縫，保證深度和寬度均勻，并拋磨坡口兩側(cè)母材至少50mm范圍至金屬光亮。蓋面焊時，應(yīng)控制焊縫增高量不得過大，避免在焊趾處出現(xiàn)應(yīng)力集中，增大裂紋產(chǎn)生的概率。同時，減少引熄弧次數(shù)，修磨弧坑。蓋面層焊完后，立即修磨兩側(cè)與母材搭接的焊趾區(qū)域，去除成形不良處，拋磨平滑過渡。按焊接材料供應(yīng)商推薦的焊接參數(shù)范圍進行焊接，保證接頭的性能。

6 結(jié)論

使用埋弧自動焊工藝進行低合金鋼對接焊縫或接管馬鞍形焊縫的接頭焊接時，采取以下措施可以有效避免焊趾裂紋缺陷出現(xiàn)，保證焊接接頭質(zhì)量。

(1) 對于直徑或厚度較大的接管與筒體，應(yīng)適當提高預(yù)熱溫度和后熱去氫溫度，增大保溫面積，減小溫度梯度。

(2) 對于雙面坡口接頭，一側(cè)焊完后應(yīng)立即進行一次中間熱處理，及時消除應(yīng)力。

(3) 焊接過程中，應(yīng)控制熱輸入量，避免局部應(yīng)力過大。打底層、填充層與蓋面層的焊接參數(shù)應(yīng)進行區(qū)分，蓋面層焊接時應(yīng)采用熱輸入量小的焊接參數(shù)，并采用退火焊道法進行焊接。

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