核電設(shè)備埋弧自動焊裂紋缺陷分析及質(zhì)量控制

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(diǎn)

埋弧自動焊的焊接原理為電弧在焊劑層下燃燒，用機(jī)械自動引燃電弧并進(jìn)行控制，完成焊體的送進(jìn)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(diǎn)，在焊接領(lǐng)域，相比其它自動焊技術(shù)較為成熟，是當(dāng)今生產(chǎn)效率較高的機(jī)械化焊接方法之一，在造船、鍋爐、化工容器、橋梁、起重機(jī)械、冶金機(jī)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)行埋弧自動焊，焊接位置為平焊。焊接時的順序為先進(jìn)行外壁埋弧自動焊，再內(nèi)壁清根，然后進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(xì)長裂紋存在，長度約 20mm。對裂紋進(jìn)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(xì)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(jìn)行硬度測試，測量設(shè)備為MH210硬度計。以焊縫中心線為基準(zhǔn)，傾斜45°劃線，上下方各取10個硬度點(diǎn)，間距2mm。每個硬度點(diǎn)進(jìn)行5次硬度測量，取平均值。共標(biāo)記測量5條硬度線，其中1條硬度線標(biāo)記在正常焊縫上，其余4條硬度線標(biāo)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(jìn)行拋磨，每拋磨1mm后立即進(jìn)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(xì)長形，長度均在20mm左右。在磁粉檢測區(qū)域進(jìn)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(xì)長。對于滲透檢測缺陷位置，觀察其金相組織，確認(rèn)該缺陷位于焊縫熔合線上，缺陷形狀為細(xì)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(jìn)行硬度測量，顯示裂紋區(qū)域維氏硬度(HV)高達(dá)350以上，遠(yuǎn)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(kuò)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(kuò)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(dāng)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(dāng)氫含量低于臨界氫含量時，只要拉應(yīng)力低于強(qiáng)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(dāng)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(dāng)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(yán)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(dá)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(kuò)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(dāng)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(xì)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(xì)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。可見，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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行后熱，保溫時間如果不充足，擴(kuò)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。可見，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(qiáng)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(jìn)行，焊接過程中控制熱輸入量，利于氫的逸散，焊后及時進(jìn)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(jìn)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(kuò)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(jìn)行一次中間熱處理，及時消除應(yīng)力。焊后及時進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(xì)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)行焊接，保證接頭的性能。

6 結(jié)論

使用埋弧自動焊工藝進(jìn)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(dāng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行焊接。

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