王立柱， 陳小偉， 張 驊, 韓鐵利， 李志華， 吳紅星

（1. 渤海裝備巨龍鋼管有限公司， 河北 青縣062658； 2. 渤海裝備研究院， 天津300280）

在生產(chǎn)厚壁直縫埋弧焊管時(shí)， 焊縫內(nèi)部會(huì)有橫向裂紋產(chǎn)生， 裂紋的尺寸不一， 裂紋在焊縫深度和長(zhǎng)度方向隨機(jī)分布， 沒有規(guī)律。 用超聲波手探檢測(cè)， 將Φ1.6 mm 豎通孔校驗(yàn)靈敏度提高10 db， 反射波高最高80%， 按檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)屬不超標(biāo)缺欠[1-2]。 由于裂紋在焊縫內(nèi)部， 沒有延伸到焊縫表面， 裂紋間隙很小， 大部分裂紋只有在焊縫橫向超聲波探傷時(shí)才能檢測(cè)到回波。 雖然裂紋的尺寸較小， 但在后續(xù)擴(kuò)徑、 熱處理或服役過程中很可能發(fā)生擴(kuò)展， 導(dǎo)致管道泄漏[3-4]。 因此，找出焊縫內(nèi)部橫向裂紋產(chǎn)生的原因， 采取工藝措施避免裂紋的產(chǎn)生是本研究探討的主要內(nèi)容。

1 生產(chǎn)實(shí)例

1.1 案例1

中俄東線部分露天使用彎管要求－45 ℃焊縫沖擊功單值≥60 J， 平均值≥80 J， 使用常規(guī)多絲雙面單道焊工藝生產(chǎn)母管， 做成彎管后焊縫沖擊功下降較多， 不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求， 為此開發(fā)了單絲多道焊工藝及焊絲。 在使用單絲多道焊工藝（方案1） 焊接Φ1 422 mm×33.8 mm X80M 低溫母管時(shí)， 發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部有尺寸較小的橫向裂紋（如圖1 所示）， 探傷結(jié)果顯示內(nèi)外焊縫均有裂紋存在。

對(duì)焊接工藝進(jìn)行了改進(jìn)， 改用三絲多層焊工藝 （方案2）， 并采用電伴熱帶對(duì)焊縫兩側(cè)300 mm 進(jìn)行焊前預(yù)熱、 焊后石棉布保溫等措施降低焊接應(yīng)力。 采用該工藝生產(chǎn)的母管做成彎管后焊縫內(nèi)部未見橫向裂紋， 沖擊功滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。 Φ1 422 mm×33.8 mm 母管焊接參數(shù)見表1， 采用方案1 和方案2 得到的焊縫宏觀照片如圖2 所示。

圖1 Φ1 422 mm×33.8 mm 母管裂紋微觀形貌

表1 Φ1 422 mm×33.8 mm 母管焊接參數(shù)

圖2 Φ 1422 mm×33.8 mm 母管焊縫宏觀形貌

截取的彎管試樣如圖3 所示， 通過掃描電鏡觀察裂紋斷口上呈現(xiàn)光滑的枝晶狀開裂形態(tài)， 并存在高溫氧化， 剖面金相試樣上也可以觀察到類似的失效特征， 這表明裂紋為焊接熱裂紋[5]。

圖3 Φ 1 422 mm×33.8 mm 彎管試樣

在焊縫結(jié)晶后期， 由于低熔點(diǎn)共晶形成的液態(tài)薄膜削弱了晶粒間的聯(lián)結(jié)， 在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋[5-6]。 即熱裂紋產(chǎn)生的條件： 一是低熔點(diǎn)共晶， 二是拉應(yīng)力。 對(duì)鋼管母材、 焊絲、 焊縫的化學(xué)成分進(jìn)行了分析， 結(jié)果見表2。

從表2 可以看出， 裂紋管焊縫成分中Cu 含量偏高， Mn 和Mo 含量偏低。 焊絲A 化學(xué)成分中w（Cu）=1.0%， 是焊縫中Cu 的主要來源。 方案2焊縫中w（Cu）降低30%， 減少了焊縫低熔點(diǎn)共晶形成的機(jī)率； w（Ni）含量降低20%， w（Mo）上升1 倍， w（Mn）上升13%。

在母管上截取焊縫縱向圓棒拉伸試樣， 并在焊縫邊緣取母材縱向圓棒拉伸試樣做拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

由表3 可以看出， 方案1 焊縫的屈強(qiáng)比偏高， 延伸率偏低， 母材延伸率較高， 焊縫在冷卻過程中， 由于焊縫金屬的收縮產(chǎn)生較大的縱向拉應(yīng)力， 當(dāng)焊縫塑性很差時(shí)， 在拉應(yīng)力的作用下比較容易開裂； 方案2 焊縫的延伸率和屈強(qiáng)比與母材接近， 焊縫的塑性有了較大的改善， 焊縫內(nèi)部橫向未產(chǎn)生裂紋。

表3 Φ1 422 mm×33.8 mm 母管拉伸試驗(yàn)結(jié)果

1.2 案例2

在使用方案3 （見表4） 生產(chǎn)Φ1 016 mm×26.2 mm X70M 鋼管時(shí)， 發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部有橫向裂紋（如圖4 所示） 產(chǎn)生， 探傷結(jié)果顯示裂紋只存在于外焊縫。

表4 Φ1 016 mm×26.2 mm X70M 鋼管焊接參數(shù)

圖4 Φ1 016 mm×26.2 mm 鋼管焊縫裂紋微觀形貌

取樣檢驗(yàn)?zāi)覆暮秃缚p的化學(xué)成分見表5， 拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表6。 試驗(yàn)結(jié)果未發(fā)現(xiàn)異常。

Φ1 016 mm×26.2 mm 鋼管焊縫宏觀照片如圖5 所示。 由圖5 可以看出， 外焊縫寬度較小，熔深較大， 焊縫的寬深比較小。 改用方案4 工藝（見表4）， 通過降低外焊焊速， 減小外焊一絲、二絲電流， 增加外焊熱輸入， 使外焊縫的寬深比加大， 焊縫內(nèi)部橫向裂紋再未出現(xiàn)。

表5 Φ1 016 mm×26.2 mm 鋼管及焊絲的化學(xué)成分

表6 Φ1 016 mm×26.2 mm 鋼管拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖5 Φ1 016 mm×26.2 mm 鋼管焊縫宏觀形貌

1.3 案例3

采用Φ1 016 mm×21 mm 鋼管用鋼板對(duì)裁，按照方案5 工藝（見表7） 生產(chǎn)Φ508 mm×21 mm X70M 鋼管時(shí)， 發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部橫向裂紋如圖6 所示。 探傷結(jié)果顯示裂紋只存在于內(nèi)焊縫。

取樣檢驗(yàn)?zāi)覆摹?焊縫和焊材化學(xué)成分， 結(jié)果見表8。 通過掃描電鏡得到的裂紋SEM 形貌如圖7 所示， 分析結(jié)果是裂紋處C 和Nb 的含量偏高 （見表9）。 分析認(rèn)為裂紋處C 可能是晶界周圍的滲碳體， 而只有鋼板中含有Nb， 剖分鋼板中間可能存在局部偏析。

表7 Φ508 mm×21 mm 鋼管焊接參數(shù)

圖6 Φ508 mm×21 mm 鋼管焊縫裂紋微觀形貌

表8 Φ508 mm×21 mm 鋼管和焊絲化學(xué)成分

在鋼管上取焊縫縱向圓棒拉伸試樣， 并在焊縫邊緣取母材縱向圓棒拉伸試樣做拉伸試驗(yàn)， 試驗(yàn)結(jié)果見表10。 由表10 可以看出， 焊縫的延伸率偏低為14.1%， 屈強(qiáng)比偏高為0.945。

圖8 Φ508 mm×21 mm 鋼管焊縫宏觀形貌

為增加焊縫延伸率， 降低焊縫屈強(qiáng)比， 改用方案6 工藝 （見表7）， 將內(nèi)外焊二絲由合金含量高的H08MnMoTiB 焊絲更換為不含合金成分的H08A 焊絲， 并調(diào)整焊接參數(shù)， 焊縫形狀及性能均得到改善， 焊縫內(nèi)部未出現(xiàn)橫向裂紋。 Φ508 mm×21 mm 鋼管焊縫宏觀形貌如圖8所示。

2 原因分析

以上幾個(gè)案例表明， 焊縫內(nèi)部橫向裂紋的產(chǎn)生與焊縫的延伸率、 屈強(qiáng)比、 低熔點(diǎn)共晶成分以及焊縫的寬深比有關(guān)。

金屬在高溫時(shí)的延性和斷裂曲線如圖9 所示。金屬在高溫時(shí)的延性和斷裂取決于3 個(gè)因素， 即拉應(yīng)變對(duì)于溫度的變化率?ε/?T、 脆性溫度區(qū)的大小ΔTB和在這個(gè)區(qū)間里金屬的延性δmin。 ?ε/?T 越大， ΔTB越大， δmin越小， 越容易產(chǎn)生裂紋[7]。

圖9 金屬在高溫時(shí)的延性和斷裂曲線

焊接殘余應(yīng)力與焊接變形在很大程度上具有相反的行為特征， 焊接變形較大時(shí)焊接殘余應(yīng)力較小， 焊接變形較小時(shí)焊接殘余應(yīng)力較大[8]。 隨著屈強(qiáng)比的增加， 由于材料的塑性變形能力下降， 使得材料緩和應(yīng)力集中、 松馳裂紋尖端局部應(yīng)力和限制裂紋擴(kuò)展的能力降低[9]。

熱軋正火鋼一般w（C）較低， Mn/S 較高， 具有較好的抗熱裂紋能力。 當(dāng)材料成分不合格而發(fā)生嚴(yán)重偏析或局部w（C）、 w（S）含量很高時(shí)， 也會(huì)出現(xiàn)熱裂紋[10]。 Nb 對(duì)結(jié)晶裂紋的形成有促進(jìn)作用， 促進(jìn)低熔點(diǎn)硫化物和碳化物形成。 含Nb 鋼在高溫下有較低的塑性。 熱裂紋敏感性與焊縫金屬成分的關(guān)系為

其中， 當(dāng)w（C）≤0.08%時(shí)， C*等于0.08%。

防止熱裂紋的冶金措施是： 嚴(yán)格控制母材和焊縫金屬中C、 S、 P 和其他易形成低熔點(diǎn)共晶體的合金元素Nb、 Ni、 Si 等含量， 當(dāng)w（C）≤0.12%、w（S）≤0.01%、 w（P）≤0.02%， 則可采用較高的熱輸入而不產(chǎn)生熱裂紋； 當(dāng)以Nb 做為微量合金元素對(duì)鋼進(jìn)行合金化時(shí)， w（Nb）不應(yīng)超過0.03%[9]。

通過改變焊接坡口尺寸或改變焊縫形貌， 降低母材在焊縫金屬中所占的比例 （即熔合比），避免母材成分偏析帶來的影響[11]。

焊縫的寬深比越小， 呈現(xiàn)窄而深的焊縫， 焊縫金屬結(jié)晶速度加快， 焊縫中產(chǎn)生夾渣和裂紋的傾向越大[12]。 另外， 焊縫的寬深比越小， 加熱區(qū)域越集中， 較高程度的溫度集中會(huì)使焊接區(qū)在冷卻時(shí)產(chǎn)生較大的塑性應(yīng)變， 這種情況下通常要求焊件材料具有較高的塑性[8]。 制定焊接工藝時(shí)， 設(shè)計(jì)合理的坡口形式和幾何尺寸， 調(diào)整焊接參數(shù)， 以增大焊縫的寬深比， 防止焊縫內(nèi)部橫向裂紋的產(chǎn)生。

3 結(jié) 論

（1） 控制母材中w（Nb）， 要求焊縫中w（Nb）≤0.03%， 當(dāng)焊縫中w（Nb）偏高時(shí)， 可通過減少母材熔合比進(jìn)行調(diào)整。

（2） 焊接工藝評(píng)定中增加焊縫縱向拉伸試驗(yàn)， 防止出現(xiàn)焊縫延伸率偏低、 屈強(qiáng)比偏高的情況。 建議焊縫金屬的延伸率≥15%， 當(dāng)焊縫金屬延伸率偏低、 屈強(qiáng)比偏高時(shí)， 可換用合金含量較少的焊絲進(jìn)行調(diào)整。

（3） 適當(dāng)調(diào)整焊接參數(shù)， 加大焊縫寬深比，建議焊縫金屬的寬深比≥1.6。