鋼板母材中的缺欠對(duì)焊接接頭的影響

陳雪峰

（中國水利水電第五工程局有限公司，成都 610225）

1 水電站工程壓力鋼鋼板材常見的問題

1.1 低合金鋼及高強(qiáng)鋼壓力鋼管在水電站的檢測(cè)要求

按照《水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》（DL/T 5017-2007）要求，制作壓力鋼管前，檢測(cè)人員要對(duì)板材（Q345R）質(zhì)量進(jìn)場(chǎng)抽檢，抽檢方式按照規(guī)格型號(hào)、批次、爐號(hào)等進(jìn)行，基礎(chǔ)試驗(yàn)包括無損檢測(cè)和理化試驗(yàn)，無損檢測(cè)執(zhí)行《鋼鍛件超聲檢測(cè)方法》（GB/T6402-2008）標(biāo)準(zhǔn)，無損檢測(cè)和理化試驗(yàn)結(jié)果顯示其符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求。

Q345R鋼板為低合金鋼高強(qiáng)鋼，在水利水電工程壓力鋼管方面應(yīng)用廣泛，該鋼材具備成熟的焊接工藝，2002年初次使用時(shí)已經(jīng)完成對(duì)此類材質(zhì)的焊接工藝性能評(píng)定，有符合相關(guān)要求的焊接工藝評(píng)定報(bào)告和焊接作業(yè)指導(dǎo)書（焊接工藝卡）。

1.2 低合金鋼及高強(qiáng)鋼壓力鋼管出現(xiàn)的質(zhì)量問題

鋼板進(jìn)場(chǎng)檢測(cè)合格后進(jìn)入卷制和焊接過程，即從開始的鋼板檢測(cè)到焊縫檢測(cè)的轉(zhuǎn)換過程。鋼板檢測(cè)與焊縫采用的標(biāo)準(zhǔn)在合格驗(yàn)收尺度方面存在差異，換言之，焊縫檢測(cè)比鋼板進(jìn)場(chǎng)檢測(cè)要在定量、定性尺度上更嚴(yán)格，特別是目前使用的TOFD檢測(cè)技術(shù)對(duì)缺欠檢出率已達(dá)90%。

在對(duì)國內(nèi)某電站壓力鋼管（Q345R）焊縫進(jìn)行TOFD檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)人員發(fā)現(xiàn)鋼板母材存在缺欠，對(duì)此類板材形成的焊縫TOFD檢測(cè)結(jié)果造成影響，卻難以區(qū)分母材缺欠和焊縫缺欠。其間按標(biāo)準(zhǔn)對(duì)母材進(jìn)行超聲波檢測(cè)，其質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)焊縫進(jìn)行超聲波檢測(cè)，檢測(cè)人員發(fā)現(xiàn)連續(xù)的回波幅度低于評(píng)定線的反射回波信號(hào)，其深度位于母材中缺欠的深度位置（10～12 mm），其水平位置位于焊縫兩側(cè)邊緣熔合線附近。并在顯示部位做滲透和磁粉檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)線性痕跡顯示。

缺欠狀況分析：壓力鋼管焊接接頭的缺欠主要存在于熔合線附近區(qū)域，采用碳弧氣刨方法對(duì)焊縫進(jìn)行清理時(shí)發(fā)現(xiàn)缺欠向母材側(cè)擴(kuò)展，裂紋為沿晶開裂形態(tài)，斷續(xù)分布在母材深度10～12 mm區(qū)域，初步判定裂紋形式為熱裂紋，熱裂紋產(chǎn)生的主要原因是裂紋區(qū)域存在一定的拉應(yīng)力（內(nèi)應(yīng)力和外應(yīng)力）和低熔點(diǎn)共晶物，而拉應(yīng)力的產(chǎn)生可能是焊縫拼裝工藝或焊接（碳弧氣刨）過程造成的[1]。

2 缺欠區(qū)域的宏觀、微觀表征

分相變區(qū)為鐵素體和珠光體組織，中部區(qū)域珠光體含量偏高，黑帶較為明顯。

2#試樣的組織主要是先析鐵素體、針狀鐵素體、粒狀鐵素體和少量珠光體組織，過熱區(qū)組織存在脆性的魏氏組織和少量塊狀鐵素體，部分相變區(qū)為鐵素體和珠光體組織，中部區(qū)域珠光體含量較多，存在黑色帶狀。

因此，焊接接頭產(chǎn)生缺欠的部位沒有出現(xiàn)淬硬M組織，裂紋不可能是冷裂紋，而是熱裂紋性質(zhì)。在母材偏析的黑帶內(nèi)部，還存在細(xì)條狀物質(zhì)（FeS或MnS夾雜物）分布，F(xiàn)e+FeS共晶，熔點(diǎn)為989℃，屬于低熔點(diǎn)共晶物，其存在將大大增加焊接時(shí)的熱裂紋生成敏感性。

從存在缺欠的焊接接頭截取兩件金相試樣進(jìn)行打磨、拋光和腐蝕處理，由宏觀金相結(jié)果可以看出，1#試樣的母材兩側(cè)的中部位置存在明顯的偏析帶，明顯存在1～2 mm寬度的黑帶和淺色帶狀形態(tài)，黑帶主要組織為珠光體，黑帶兩側(cè)的淺色帶組織以鐵素體為主，而2#試樣僅母材一側(cè)的中部位置存在明顯的偏析帶，組織形態(tài)和1#試樣的組織一致。1#和2#試樣均取自一件焊接接頭，而母材中部位置的帶狀組織偏析狀況不太一樣，1#試樣的母材部位偏析更加嚴(yán)重，說明母材的組織不是很均勻，冶煉和軋制生產(chǎn)工藝存在不穩(wěn)定性。

1#試樣的焊縫組織主要是先析鐵素體、條狀鐵素體、針狀鐵素體和少量珠光體組織，過熱區(qū)組織存在脆性的魏氏組織和偏少量的塊狀和條狀鐵素體，部

3 母材偏析問題分析

針對(duì)母材的偏析，采用EDS分析手段對(duì)焊接接頭的HAZ區(qū)和母材的偏析帶區(qū)域的C、Si、Mn、P、S元素分布進(jìn)行定性分析，分析區(qū)域?yàn)橐院趲橹行目缍鹊?.5 mm區(qū)域，母材的偏析帶區(qū)域分析，條狀?yuàn)A雜物清晰可見，母材的偏析帶區(qū)域分析，同樣條狀?yuàn)A雜物清晰可見。

黑帶處的S、P含量均高于其他區(qū)域至少2倍，Mn含量也很高，因此在黑帶區(qū)域很有可能形成Fe+FeS低熔點(diǎn)共晶物或高熔點(diǎn)的MnS夾雜物。夾雜物的元素含量分布如表1所示。其中，相關(guān)含量為微區(qū)含量，作為定性分析僅作為參考，不能代表實(shí)際的合金含量。

表1 夾雜物位置元素含量

由表1可以看出，夾雜物長(zhǎng)度一般為50 μm左右，最長(zhǎng)達(dá)到100 μm左右。1區(qū)夾雜物中S含量很高，含量較高的Mn和Fe元素形成了MnS和Fe+FeS，（Mn，F(xiàn)e）S固溶體為單晶體。Fe+FeS熔點(diǎn)僅為989℃，是低熔點(diǎn)共晶物；MnS為非金屬化合物，熔點(diǎn)為1 620℃，呈現(xiàn)為線狀形態(tài)，而金相顯示該化合物為線狀形態(tài)，因此該化合物為MnS的可能性最大，當(dāng)然也部分含有Fe+FeS低熔點(diǎn)共晶物；3區(qū)和4區(qū)的母材中元素基本是Fe，S基本沒有。三個(gè)區(qū)域內(nèi)P元素的含量很少，采用EDS局部點(diǎn)分析結(jié)果顯示不出來。

表1中2區(qū)含有少量的氧元素，勢(shì)必產(chǎn)生少量的氧硫化合物。有研究表明，當(dāng)氧硫化合物長(zhǎng)度大于65 μm時(shí)，發(fā)生裂紋的概率是100%。（FeS·FeO）共晶體的熔點(diǎn)溫度為940℃，更加利于熱裂紋的產(chǎn)生。

Q345R材料的線膨脹系數(shù)在750℃左右，線膨脹系數(shù)為15.0×10-6/℃左右。母材熱影響區(qū)的最高溫度可高達(dá)1 300℃，材料的線膨脹系數(shù)更高。MnS為非金屬化合物，其線膨脹系數(shù)大于基體的線膨脹系數(shù)，屬于典型的塑性夾雜物。當(dāng)MnS夾雜物較短時(shí)，其與鋼基體結(jié)合良好，不會(huì)使基體產(chǎn)生鑲嵌應(yīng)力而引起應(yīng)力集中，劃傷基體，形成裂紋源。但是，塑性夾雜物仍為異性夾雜物，不可能在基體受到溫度作用下膨脹時(shí)保持與基體一樣的變形能力，對(duì)基體具有割裂作用的事實(shí)始終存在，從而也不可避免地對(duì)裂紋的萌生有一定的負(fù)面影響。夾雜物越多越長(zhǎng)，裂紋發(fā)生的概率越大；溫度越高，由于夾雜物和基體線膨脹系數(shù)的不同，基體和MnS夾雜物的界面處產(chǎn)生的剪切應(yīng)力越大，使得該處裂紋產(chǎn)生的可能性越大[2]。

因此，較多較長(zhǎng)的高熔點(diǎn)MnS線狀?yuàn)A雜物的存在和低熔點(diǎn)共晶物Fe+FeS均可能造成基體在高溫作用下發(fā)生開裂。

4 結(jié)果及缺欠性質(zhì)

試驗(yàn)分析表明，對(duì)于深度為10～12 mm的缺欠區(qū)域宏觀和微觀表征，深度10～12 mm、靠近焊縫區(qū)域的母材較為嚴(yán)重的黑帶偏析缺欠位置基本重疊，這就很好地解釋該區(qū)域裂紋的產(chǎn)生原因。母材中部S較為嚴(yán)重的偏析是造成裂紋缺欠的主要內(nèi)因，S元素的局部偏析使得少量Fe+FeS低熔點(diǎn)共晶物存在于該區(qū)域，在焊接或碳弧氣刨工藝引起的殘余拉應(yīng)力作用下形成熱裂紋。其中存在較多的高熔點(diǎn)MnS夾雜物，由于和基材線膨脹系數(shù)的不同和焊縫內(nèi)外應(yīng)力的作用，在焊接或碳弧氣刨的高溫作用下，夾雜物和基體的結(jié)合面出現(xiàn)開裂。另外，少量（FeS·FeO）共晶體的存在也有利于熱裂紋的產(chǎn)生。當(dāng)然，這樣也能很好地解釋在發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺欠后采用碳弧氣刨工藝向母材側(cè)清理焊縫缺欠時(shí)，裂紋繼續(xù)向母材內(nèi)部擴(kuò)展的現(xiàn)象。

從焊縫清理后的坡口處觀察，裂紋性質(zhì)為熱裂紋。母材存在嚴(yán)重的偏析現(xiàn)象，偏析嚴(yán)重位置黑帶主要為珠光體組織，旁邊的淺色帶主要為鐵素體組織，黑帶內(nèi)存在一定的夾雜物。較長(zhǎng)較多的條狀?yuàn)A雜物為MnS，和基體的線膨脹系數(shù)有一定的差別，并且夾雜物含有少量的Fe+FeS低熔點(diǎn)共晶物和更少量的（FeS·FeO）低熔點(diǎn)共晶物，這是產(chǎn)生裂紋的內(nèi)因。

5 處理方案與措施

5.1 處理方案一

首先對(duì)出現(xiàn)焊接質(zhì)量問題的鋼板追溯到爐號(hào)、批次號(hào)，確認(rèn)是哪個(gè)批次的鋼板出現(xiàn)此類問題，馬上停止使用該批次鋼板制作，連同和完成的鋼管全部返廠報(bào)廢處理。

5.2 處理方案二

在已經(jīng)采納使用存在此類鋼板缺欠的情況下，施工人員要在焊接和裝配工藝上要采取措施，采用較小的焊接線能量進(jìn)行焊接，在雙面焊接情況下盡量不采用碳弧氣刨對(duì)根部進(jìn)行清根處理，宜采用砂輪機(jī)進(jìn)行磨削處理。如果采用碳弧氣刨進(jìn)行清根，應(yīng)采用砂輪機(jī)打磨去掉滲碳層至少1～2 mm的深度，并采用著色探傷或磁粉探傷進(jìn)行檢查，合格后方可進(jìn)行下一步焊接。

5.3 處理方案三

對(duì)于焊接時(shí)少量位置熱影響區(qū)出現(xiàn)裂紋的問題，建議采用機(jī)械打磨的方式磨去缺欠位置的金屬，并采用表面探傷檢查裂紋情況，直到?jīng)]有裂紋出現(xiàn)，預(yù)熱后采用較小線能量進(jìn)行修補(bǔ)焊接，焊接時(shí)采用錘擊法盡量消除焊接殘余應(yīng)力，以降低重新焊接時(shí)的裂紋傾向性。

6 實(shí)施結(jié)果與總結(jié)

針對(duì)原有出現(xiàn)問題的焊縫和后續(xù)同批次鋼板焊接，檢測(cè)人員采用TOFD檢測(cè)和磁粉檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，均顯示合格，同批次鋼板焊接試板理化和力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果符合規(guī)范要求。目前，鋼板檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和焊縫檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)存在差異，人們要利用新的檢測(cè)技術(shù)，如超聲波衍射時(shí)差成像技術(shù)和相控陣技術(shù)對(duì)低合金或低合金高強(qiáng)鋼提前介入檢測(cè)，提高編制企業(yè)內(nèi)部鋼板（鍛件）檢測(cè)作業(yè)指導(dǎo)書檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)《鋼鍛件超聲檢測(cè)方法》（GB T6402-2008）與《焊縫無損檢測(cè)超聲波檢測(cè)技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》（GB/T11345-2013）之間的無縫對(duì)接。

鋼板生產(chǎn)廠家的鍛件軋制生產(chǎn)線的能力良莠不齊，在鋼板進(jìn)場(chǎng)時(shí)，檢測(cè)人員需要對(duì)每個(gè)批次的鋼板按照焊接工藝指導(dǎo)書進(jìn)行試驗(yàn)，通過無損檢測(cè)和理化試驗(yàn)在鋼板未進(jìn)入制作流程前發(fā)現(xiàn)問題，以便及時(shí)返廠。通過分析該電站鋼板焊接缺陷情況，人們可以調(diào)整焊接方案，有效控制焊接質(zhì)量，供同類鋼管制作安裝工程借鑒，但是做好鋼板進(jìn)場(chǎng)檢測(cè)和源頭質(zhì)量控制更為重要。