雷 浩， 胡德虎， 高 鵬， 曹文軍

（寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司， 陜西 寶雞721008）

隨著城市輸水及熱力管線用螺旋埋弧焊管建設(shè)逐漸向大直徑、 厚壁方向發(fā)展， 市場(chǎng)需求日趨增大， 為提高管材利用率， 允許成品管保留鋼帶對(duì)接焊縫。 在實(shí)際制管過(guò)程中， 隨著壁厚的增加， 螺旋埋弧焊管保留對(duì)接焊焊縫產(chǎn)生裂紋的傾向也隨之增大。 裂紋是焊接缺陷中危害性最嚴(yán)重的缺陷之一， 在管道運(yùn)行過(guò)程中，裂紋尖端產(chǎn)生的應(yīng)力集中具有延展的可能， 對(duì)管道的安全運(yùn)行留下巨大隱患， 甚至造成災(zāi)難性的事故， 所以在焊接鋼管生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)中， 裂紋是不允許存在的。

對(duì)接焊焊縫作為保留在管體的一部分焊縫，在遞送到成型器卷管成型過(guò)程中， 要經(jīng)過(guò)遞送機(jī)的一次擠壓， 再經(jīng)過(guò)成型器卷管變形的內(nèi)層擠壓和外層拉伸的應(yīng)力變化， 容易造成焊縫裂紋， 所以對(duì)接焊焊縫要比螺旋焊縫有更高的工藝性能要求。 提高對(duì)接焊焊縫質(zhì)量， 解決其裂紋缺陷是螺旋焊管工藝研究的難題之一。

1 螺旋埋弧焊管鋼帶對(duì)接焊工藝

螺旋埋弧焊管鋼帶對(duì)接焊目前大部分采用的是內(nèi)外雙面雙絲埋弧焊接工藝， 鋼帶對(duì)接正面采用單面焊透背面焊縫基本成形的工藝， 對(duì)接焊縫進(jìn)入成型器卷管成型后， 再對(duì)背面進(jìn)行蓋面焊接。 通過(guò)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的大量檢測(cè)試驗(yàn)， 成型后出現(xiàn)的對(duì)接焊縫裂紋屬于熱裂紋中的應(yīng)力裂紋。

以L360MΦ1 620 mm×20 mm 的熱力管道為例， 針對(duì)鋼帶對(duì)接焊焊縫的裂紋進(jìn)行分析， 具體焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鋼帶對(duì)接焊焊接工藝參數(shù)

2 對(duì)接焊焊縫裂紋類(lèi)型

2.1 中心裂紋

中心裂紋位于焊縫正中心， 裂紋恰好處于焊縫柱狀晶的匯合面上， 并且沿焊縫縱向擴(kuò)展， 部分嚴(yán)重的裂紋貫穿于整個(gè)焊縫， 具有典型的熱裂紋特征， 焊縫中心裂紋酸蝕樣及X 射線檢測(cè)結(jié)果如圖1 所示。

2.2 邊緣焊趾裂紋

焊趾裂紋屬于再熱裂紋， 也稱(chēng)液化裂紋，如圖2 所示。 從圖2 可以看出， 裂紋位于焊趾位置處， 并沿著焊趾延展， 具有典型的再熱裂紋的特征， 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)分析， 焊趾裂紋都產(chǎn)生在原料尾部， 即卷板的頭部， 具有明顯的特征。

圖2 對(duì)接焊焊縫邊緣焊趾裂紋及X 射線檢測(cè)結(jié)果

2.3 表面裂紋

對(duì)接焊焊縫表面裂紋形貌及X 射線檢測(cè)結(jié)果如圖3 所示。 由圖3 可以看出， 裂紋產(chǎn)生在焊縫的表面余高處， 深度為1～2 mm， 并且裂紋主要集中在鋼帶邊沿， 即對(duì)接焊焊縫的引熄弧段。

圖3 對(duì)接焊焊縫表面裂紋形貌及X 射線檢測(cè)結(jié)果

2.4 對(duì)接焊焊縫橫向裂紋

焊縫橫向裂紋X 射線檢測(cè)結(jié)果如圖4 所示，由圖4 可以看出， 裂紋垂直焊縫長(zhǎng)度方向， 裂紋長(zhǎng)度幾乎占了整個(gè)焊縫寬度， 是典型的冷裂紋，起源于焊縫中心， 向焊縫兩側(cè)延展， 具有嚴(yán)重的危害性。

圖4 對(duì)接焊焊縫橫向裂紋X 射線檢測(cè)結(jié)果

3 對(duì)接焊焊縫裂紋的產(chǎn)生原因

3.1 冶金元素

3.1.1 鋼帶成分不均勻

鋼帶母材中的合金元素對(duì)結(jié)晶裂紋的影響較大， C、 S、 P 等有害雜質(zhì)對(duì)結(jié)晶裂紋影響和敏感性最大， 其次是Cu、 Ni、 Si、 Cr 等元素。 在焊接過(guò)程中， 焊縫金屬凝固結(jié)晶時(shí)， 先結(jié)晶部分較純， 后結(jié)晶的部分含雜質(zhì)和合金元素較多， 元素C、 S、 P 形成低熔相或共晶， 促使結(jié)晶偏析造成焊縫金屬化學(xué)成分的不均勻性， 隨著柱狀晶長(zhǎng)大， 雜質(zhì)不斷被排斥到平行生長(zhǎng)的柱狀晶交界面處或焊縫中心處， 與金屬形成低熔相或共晶， 在結(jié)晶后期已凝固的晶粒較多時(shí)， 這些殘存的低熔相尚未凝固， 并呈液膜狀態(tài)分布于晶粒表面， 隔斷了晶粒之間的聯(lián)系， 在冷卻收縮拉應(yīng)力的作用下， 在晶界處分離形成了結(jié)晶裂紋。

熱軋鋼卷的頭尾是化學(xué)成分最不穩(wěn)定的區(qū)域， 采用 “I” 形坡口， 焊縫的熔合比較大。 因此， 母材中的元素成分對(duì)裂紋產(chǎn)生的影響較大，所以在焊接材料匹配時(shí)， 對(duì)C、 S、 P 等有害雜質(zhì)要高度重視， 特別是焊劑中的S、 P 含量應(yīng)嚴(yán)格控制在0.03%以下。

3.1.2 焊材選配不當(dāng)?shù)挠绊?/p>

焊接材料匹配過(guò)高， 焊縫強(qiáng)度比母材強(qiáng)度高，伸長(zhǎng)率不一致， 在成型內(nèi)輥的擠壓和鋼管成型時(shí)內(nèi)表面的擠壓應(yīng)力作用下， 形成不規(guī)則的表面裂紋。 對(duì)于缺陷位置的修補(bǔ)一般采用低氫型焊材進(jìn)行補(bǔ)焊， 可以有效地控制有害雜質(zhì)， 防止裂紋傾向。

3.2 鋼帶對(duì)接過(guò)程

3.2.1 鋼帶對(duì)接過(guò)程的矯平及壓緊

熱軋鋼卷在展開(kāi)時(shí)， 并不是平直均勻的， 而是有橫向凹槽和縱向不平整， 頭尾差異更明顯，凹槽頭部淺， 到尾部時(shí)逐漸加深， 為滿足制管成型的需要， 需進(jìn)行整卷鋼帶的逐步矯平。 鋼帶頭尾矯平壓下量控制不當(dāng)， 頭尾合縫就是不平整對(duì)接， 要在焊臺(tái)頭尾夾緊壓平合縫， 同時(shí)， 合縫下襯焊劑層墊板上升頂住焊縫， 存在向上頂?shù)膲簯?yīng)力， 焊縫焊接時(shí)壓應(yīng)力向下釋放， 增加了焊縫沿晶界開(kāi)裂的外力作用。 鋼帶頭尾合縫時(shí)形貌、 鋼帶對(duì)接壓緊原理如圖5 和圖6 所示。 合縫下襯焊劑層墊板上升對(duì)焊縫的壓力不能太大， 應(yīng)適當(dāng)減少焊縫結(jié)晶過(guò)程中的外應(yīng)力。

圖5 鋼帶頭尾合縫時(shí)的形貌

圖6 鋼帶對(duì)接壓緊原理示意圖

3.2.2 鋼帶的剪切斷面

鋼帶對(duì)頭焊縫采用 “I” 形合縫， 不銑坡口且預(yù)留3～4 mm 間隙進(jìn)行焊接， 剪切斷面的齊整對(duì)焊縫的質(zhì)量影響也很大， 如果剪刃間隙調(diào)整不當(dāng)或剪刃有豁口， 剪切斷面就會(huì)撕裂并殘留豁口， 如圖7 所示。 合縫成倒梯形坡口， 嚴(yán)重影響焊接熔池的冶金過(guò)程和焊縫成形， 造成焊縫一側(cè)產(chǎn)生未熔合， 加劇焊趾裂紋的產(chǎn)生。

圖7 鋼帶剪切斷面

3.3 焊縫形貌

3.3.1 焊縫形狀系數(shù)

焊縫的形狀系數(shù)ψ （ψ＝B/H， B 為熔寬， H為熔深） 最佳控制在1.3～1.7 時(shí)， 不會(huì)產(chǎn)生熱裂紋， 如圖8 所示。 焊縫形狀系數(shù)越大熱裂紋的傾向越小， 反之則相反。 當(dāng)焊縫的形狀系數(shù)≤1時(shí)， 將大大增加熱裂紋傾向， 但是焊縫形狀系數(shù)也不能過(guò)大， 當(dāng)大于1.8 時(shí)， 焊縫邊緣過(guò)渡不好， 易產(chǎn)生氣孔、 夾雜等缺陷， 因此焊縫形狀系數(shù)要根據(jù)焊接實(shí)際情況， 綜合考慮多種因素， 選擇最佳的焊縫系數(shù)。

圖8 焊縫形狀系數(shù)對(duì)裂紋的影響

3.3.2 焊縫余高和形貌

焊縫余高太高或者魚(yú)脊形狀， 在經(jīng)過(guò)遞送機(jī)的時(shí)候， 焊縫表面局部硬化， 塑性降低， 當(dāng)進(jìn)入成型器卷管變形的過(guò)程中， 焊縫又被2#輥局部再次碾壓， 產(chǎn)生不規(guī)則形狀的表面裂紋， 這種裂紋大多都沒(méi)有深度， 只在表面。

3.4 焊接過(guò)程

3.4.1 對(duì)接焊焊縫焊偏

焊縫焊偏會(huì)造成焊縫形狀發(fā)生變化， 形狀系數(shù)偏小， 易產(chǎn)生裂紋， 同時(shí)焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)受熱不均， 焊接拘束應(yīng)力不平衡， 也會(huì)造成焊趾裂紋。

3.4.2 背縫焊接時(shí)的影響

當(dāng)鋼帶對(duì)接焊焊縫焊趾處存在較大的殘余應(yīng)力和拘束應(yīng)力時(shí)， 背縫蓋面焊接時(shí)伴有二次加熱，焊縫中邊沿的粗晶區(qū)存在的殘余應(yīng)力得以釋放， 從有夾雜物或焊縫熔合線咬邊缺陷處開(kāi)裂， 嚴(yán)重的在背縫蓋面焊接時(shí)能聽(tīng)見(jiàn)變形應(yīng)力所產(chǎn)生的聲音。

3.4.3 焊接熱輸入的影響

生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明， 盡管對(duì)工藝匹配進(jìn)行了優(yōu)化，在冶金方面作了許多努力， 但焊接工藝參數(shù)不規(guī)范， 也會(huì)產(chǎn)生裂紋。 當(dāng)焊接熱輸入較大時(shí)， 焊縫冷卻過(guò)程中承受的應(yīng)力變形也越大， 這就為裂紋的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。 焊接熱輸入較大時(shí)， 厚壁鋼帶對(duì)接焊縫線能量比較大， 會(huì)造成熔合線HAZ 組織的過(guò)熱粗晶區(qū)晶粒尺寸增大。 一般情況下， 晶粒越粗， 則脆性轉(zhuǎn)變溫度越高， 即脆性增加。 HAZ的過(guò)熱粗晶脆化與一般單純晶粒長(zhǎng)大所造成的脆化不同， 它是在化學(xué)成份、 晶粒組織不均勻的非平衡態(tài)條件下形成的， 故而脆化的程度比較嚴(yán)重。

4 解決措施

4.1 選擇合適的焊材匹配及焊接規(guī)范

（1） 根據(jù)鋼帶對(duì)接焊焊縫特點(diǎn)， 焊絲匹配的選擇強(qiáng)度應(yīng)略高于母材， 這樣能有效承載鋼管成型過(guò)程中的應(yīng)力變化， 同時(shí)， 選擇S、 P 的成分含量小于0.03%。

（2） 控制焊縫形狀系數(shù)， 雙絲焊接的焊絲選擇為前絲Φ4.0 mm、 后絲Φ4.8 mm， 保證焊縫熔透的同時(shí)， 增加熔敷量， 增大焊縫寬度。

（3） 鋼帶對(duì)接焊時(shí)熱輸入高， 線能量較大，焊接規(guī)范的設(shè)置尤為重要， 特別是采用FCB （焊劑銅墊法） 焊劑焊接時(shí)， 前絲電流通常較大， 這樣焊縫背面成型整齊規(guī)整。

（4） 鋼帶對(duì)接采用埋弧焊接， 電流設(shè)置較大， 整條焊縫中間位置應(yīng)力變形大， 兩端變形小， 因此采用起弧、 熄弧， 兩端焊接速度比中間略慢0.1～0.15 m/min， 同時(shí)略降低前絲電流30～50 A， 這樣可以減小焊接拘束應(yīng)力。

4.2 提高引熄弧板焊接質(zhì)量

鋼帶對(duì)接時(shí)必須焊接引熄弧板， 引弧板長(zhǎng)度150 mm， 熄弧板長(zhǎng)度170 mm， 確保焊縫起弧過(guò)渡到鋼帶邊緣焊透， 熄弧端焊縫弧坑在熄弧板上， 為保證對(duì)接焊縫質(zhì)量創(chuàng)造條件。

4.3 合理控制焊縫形貌

采用“Ⅰ” 字形坡口， 在對(duì)縫前用角磨機(jī)清理鋼帶剪切面上下毛刺及銹蝕； 合理控制對(duì)縫間隙和焊接規(guī)范， 優(yōu)化焊縫外觀形貌， 降低焊縫余高； 焊接時(shí)防止焊偏， 并控制焊劑流量， 使焊縫過(guò)渡平滑規(guī)整。

4.4 控制殘余應(yīng)力

按鋼帶壁厚對(duì)應(yīng)的要求， 及時(shí)調(diào)整剪刃的間隙， 剪切截面積控制在50%以下， 減少剪切面因撕裂加劇殘余應(yīng)力， 更有利于焊縫形狀控制；當(dāng)剪刃有豁口、 剪刃圓鈍時(shí)， 及時(shí)更換新剪刃，確保剪切斷面齊整鋒利。

4.5 確保鋼帶轎平

鋼帶原料頭尾要完全矯平， 并且頭尾均勻一致， 對(duì)頭焊臺(tái)兩側(cè)壓緊、 焊縫中間焊墊板上頂緊壓力調(diào)整適當(dāng)， 保證焊縫背面墊實(shí)適度不過(guò)量。

5 結(jié) 論

（1） 優(yōu)化焊材匹配、 減少焊縫中低熔點(diǎn)雜質(zhì)的含量、 提高晶粒間的結(jié)合力能有效防止和減少焊接裂紋的產(chǎn)生。

（2） 優(yōu)化焊接工藝和參數(shù)， 焊絲的前絲直徑用4.0 mm， 后絲直徑用4.8 mm， 采用前絲細(xì)后絲粗的雙絲焊工藝， 有利于焊縫形狀系數(shù)的控制； 焊劑用SJ101， 采用FCB 焊接法， 能有效預(yù)防焊縫裂紋的產(chǎn)生。

（3） 優(yōu)化焊接規(guī)范和對(duì)接焊縫預(yù)留間隙， 降低焊縫的余高， 在對(duì)接焊縫經(jīng)過(guò)夾送機(jī)遞送到成型器卷管的過(guò)程中， 減緩變形產(chǎn)生的應(yīng)力， 能有效預(yù)防和減少裂紋的產(chǎn)生。

（4） 控制好原料頭尾的矯平度和焊劑層墊板的上頂壓力， 能有效的預(yù)防焊縫裂紋外力的產(chǎn)生；控制好剪刃間隙， 并保證剪切斷面光滑鋒利， 能有效預(yù)防焊縫未熔合的產(chǎn)生， 降低裂紋產(chǎn)生的傾向。

（5） 采用“Ⅰ” 形合縫對(duì)接并預(yù)留間隙不開(kāi)坡口， 節(jié)約了對(duì)接焊時(shí)間， 提高了生產(chǎn)效率， 焊縫質(zhì)量得到保證， 可滿足大批量規(guī)模生產(chǎn)的需要。