低合金鋼埋弧焊縫缺陷成因分析及防止措施

■ 李雙燕

1. 接管與筒體對接焊工藝

某核電項目主設備接管與筒體材料為低合金鋼SA508Gr3CL2鍛件，筒體直徑約為6.4m，接管直徑約為1.2m，厚度均為140mm。對接接頭采用雙面U形坡口埋弧焊，焊接順序為先進行外壁埋弧焊，再內壁清根，然后內壁埋弧焊。

焊接設備采用ESAB LAF 1600DC/125—ES1—300，埋弧焊絲/焊劑組合采用F9P4—EM2—M2類型，焊絲直徑為4.0mm，牌號為Lincoln weld LA—100，焊劑牌號為MIL 800—H。焊接過程中打底層、填充層與蓋面層的焊接電流均為500～600A，電弧電壓為28～34V，焊接速度為400～500mm/min。焊前預熱溫度至少150℃，焊后去氫處理溫度至少300℃，時間至少4h，焊后和熱處理后均進行100%MT、100%UT和100%RT檢測。

在焊接領域，埋弧焊是相對其他自動焊技術比較成熟的技術，在造船、鍋爐、化工容器、橋梁、起重機械、冶金機械制造業、海洋結構和核電設備中應用最為廣泛。雖然埋弧焊接技術比較成熟，但大厚度、大直徑的接管與筒體對接焊，如果埋弧焊接工藝控制不好，也會出現氣孔、夾渣、裂紋等缺陷。

2. 對接焊縫缺陷及原因分析

接管與筒體接頭焊后進行的MT、UT和RT檢測未發現缺陷，而熱處理MT檢測發現缺陷，在接管與筒體焊縫內壁熔合線區域有多處線性顯示，長度均在20～30mm。對其中某個MT顯示區域進行PT檢測，檢查發現線狀顯示，PT與MT顯示位置基本重合。對PT顯示區域進行現場金相觀察，在拋光腐蝕后可肉眼觀察到位于焊縫熔合線處有細長裂紋存在，長度約20mm。對裂紋進行金相觀察，通過顯微鏡發現裂紋位于焊縫熔合線上，裂紋細長，如圖1所示。

圖1 現場金相組織

對現場金相觀測區域進行維氏硬度測試：硬度測試結果顯示，在焊縫中心線區域，硬度為258～302HV；在焊縫中心線至熔合線之間，硬度為220～280HV；在缺陷位置處的硬度為359～456HV。 選取其中一處MT顯示進行拋磨，每拋磨1mm后立即進行MT檢測，拋磨深度為3mm時，MT合格，缺陷顯示消失，表明該缺陷位于接頭近表層。根據以上結果，可判斷該缺陷屬于焊腳裂紋。

焊腳裂紋屬于冷裂紋中延遲裂紋的一種，這類裂紋有可能在焊后立即出現，也有可能在焊后延遲出現。延遲裂紋的出現與焊縫金屬中的氫含量、焊接接頭所承受的拉應力、由鋼材淬硬傾向決定的金屬的塑性儲備等三個因素的交互作用有關。焊接應力是產生焊接裂紋的根本原因，由于接管與筒體焊縫結構的特殊性，接管內壁為典型的高拉應力集中區，更容易產生焊腳裂紋。

接管與筒體焊縫采用的預熱方式為火焰局部加熱，且加熱過程中火炬僅對接頭焊縫進行了整圈加熱，加熱面積不足，加熱區溫度高，非加熱區溫度低，溫度梯度大，易產生較大焊接拘束應力。焊接結束后，采用火焰加熱進行后熱，保溫時間如果不充足，擴散氫不能夠充分逸出，繼而埋下產生延遲裂紋的隱患。可見加熱面積小，溫度梯度大也容易造成焊腳裂紋出現。

在整個接頭的焊接過程中，實際施焊的焊接電流為592A，接近實際焊接工藝規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。從圖2產品接頭焊縫照片中可以看出焊道較寬，焊道排布數量減少，造成近表層熔合線附近區域晶粒粗大。

3. 防止措施

根據以上的缺陷定性及原因分析，接管與筒體對接焊縫熱處理后產生的焊腳裂紋主要原因為接頭厚度大、焊接時應力較大，加熱不均勻，以及蓋面層焊接時熱輸入量較大。

對于大厚度接管與大厚度筒體對接的焊接結構，應從以下幾個方面加強工藝過程控制，以獲得滿意的焊接接頭質量。

（1）增加預熱溫度，由原來的至少150℃提高為至少175℃，防止過冷度較大，而導致近縫區母材淬硬傾向大。提高后熱溫度區間，由250～350℃提高至350～400℃，以減緩冷卻速度。

（2）預熱和后熱時，擴大焊縫兩側的加熱范圍并均勻布置加熱源，布置足夠的保溫材料，以減緩溫度梯度。

（3）焊接過程中，控制熱輸入量，防止近縫區母材晶粒過于粗大，增強晶間結合力。焊后及時進行焊后熱處理，消除應力。焊接過程中，控制熱輸入量，減少局部應力過大。

（4）對接焊過程中，區分打底層、填充層與蓋面層的焊接參數，降低蓋面層的焊接熱輸入量。接頭最后幾層焊接時，采用低熱輸入量焊接，減少焊道寬度，增加排道數量，以減少應力集中，減輕焊接熱影響區過熱區的晶粒粗大，焊接電流采用500～550A。最終焊道采用退火焊道排道方法，以減少試件焊接完成后因未能及時進行中間熱處理或者最終熱處理而導致在焊腳處出現裂紋的幾率。蓋面層焊完后，立即修磨兩側與母材搭接的焊腳區域，去除成形不良處，拋磨平滑過渡。

圖2 接管與筒體接頭焊縫內壁蓋面層

4. 結語

對于直徑和厚度較大的接管與筒體，使用埋弧焊接工藝進行對接焊時，為預防焊腳裂紋出現，應適當增加預熱溫度和后熱去氫溫度，以及增加保溫面積，減少溫度梯度。焊接過程中，應控制熱輸入量，避免局部應力過大。打底層、填充層與蓋面層的焊接參數應予區分，蓋面層焊接時應采用小熱輸入量的焊接參數，并采用退火焊道法進行焊接。

采取防止工藝措施后，接管與筒體接頭焊后和熱處理后進行的100%MT、100%UT和100%RT檢測均合格，有效地避免了焊腳裂紋的產生。