異種鋼Q235B/304L焊接過渡區(qū)疑似缺陷的無損檢測

陳志強，張洪波，陳 柳

(1.河北大學(xué) 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院,保定071005; 2.中國地質(zhì)大學(xué) 計算機學(xué)院，武漢 430074)

目視檢查是焊接質(zhì)量檢驗的重要手段,但對于缺陷類別和分布還須借助其他無損檢測手段才能夠更加準(zhǔn)確地進(jìn)行判斷并給出結(jié)論。

某型船舶泵塔區(qū)域采用厚度為25 mm的304L不銹鋼板材嵌入厚度為20 mm的Q235B低碳鋼板材的拼接結(jié)構(gòu)。根據(jù)焊接工藝規(guī)范，為防止焊縫出現(xiàn)裂紋，主要采用單面焊接雙面成型方法，單面V型坡口角度為40°50°，反面以陶瓷為焊接襯墊，填充金屬為直徑為1.2 mm、牌號為E307T1-1的焊絲，對異種鋼(不銹鋼和碳鋼)板材對接節(jié)點及其十字接頭位置焊接延伸過渡到碳鋼板拼接節(jié)點150 mm范圍內(nèi)的焊縫，均采用藥芯焊絲二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊(FCAW-CO2)進(jìn)行焊接[1]。

根據(jù)檢驗檢測計劃，關(guān)鍵區(qū)域要求焊后所有對接焊縫區(qū)域及熱影響區(qū)進(jìn)行100%目視檢查加上100%X射線檢測，以及內(nèi)外焊縫表面加上熱影響區(qū)覆蓋100%著色滲透檢測。為了確保焊縫內(nèi)部和表面的焊接質(zhì)量，滿足相關(guān)的檢驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的驗收等級要求，確保焊接工藝紀(jì)律、質(zhì)量過程控制能夠有效執(zhí)行；避免潛在的裂紋、未熔合等嚴(yán)重缺陷，使得貨艙系統(tǒng)存在高風(fēng)險或者大量返修，導(dǎo)致不必要的人力物力財力浪費及工期拖延。因此，對不銹鋼/碳鋼合攏過渡區(qū)進(jìn)行了嚴(yán)格限制，多層多道焊的焊接層間溫度不得高于150 ℃，異種鋼過渡到完全碳鋼區(qū)域長度一般為100～150 mm，十字接頭區(qū)或者T型過渡區(qū)采用梯形焊，預(yù)留間隔距離為500 mm。泵塔區(qū)材料、基本結(jié)構(gòu)俯視圖和焊接順序如圖1所示。圖中紅線實線框內(nèi)區(qū)域材料為不銹板;紅色線代表不銹鋼和碳鋼板焊縫節(jié)點區(qū)；紅色實線框外全部為碳鋼鋼板。

圖1 泵塔區(qū)不銹鋼和碳鋼的焊縫布置和焊接順序示意

1 問題提出

按照檢驗檢測計劃，對泵塔區(qū)所有規(guī)定焊縫及相關(guān)區(qū)域分別按照標(biāo)準(zhǔn)JIS Z3104-1995 《鋼焊縫射線探傷方法的要求及評述》 和JIS Z2343-1992 《滲透檢驗方法和缺陷顯示的分類》 進(jìn)行100%射線檢測和100%著色滲透檢測并已驗收合格。

在對4個泵塔區(qū)域焊縫進(jìn)行巡檢過程中，目視檢查發(fā)現(xiàn)合攏區(qū)的不銹鋼焊縫過渡到碳鋼220～245 mm區(qū)域(超出檢測計劃范圍)焊縫表面位置發(fā)現(xiàn)兩處橫向缺陷，缺陷顯示及疑似區(qū)域材料分布如圖2所示。復(fù)審射線底片影像，并沒有發(fā)現(xiàn)任何橫向缺陷，著色滲透檢測報告也沒有記錄不合格缺陷和返修結(jié)果。

經(jīng)過仔細(xì)對比分析，按照檢測規(guī)定和焊接延伸要求，射線底片最多覆蓋過渡區(qū)延伸焊縫長度為150 mm，所以此區(qū)域不在檢測范圍內(nèi)。為此，筆者對現(xiàn)場出現(xiàn)的問題進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。

圖2 焊縫表面橫向缺陷和疑似區(qū)域材料分布

2 試驗方案和儀器

2.1 試驗方案

由于兩處橫向缺陷均出現(xiàn)在過渡區(qū)的焊縫表面，為此首先采用著色滲透法檢測焊縫是否有開口不連續(xù)缺陷及不連續(xù)缺陷的分布和走向；然后采用超聲波檢測確認(rèn)疑似的缺陷是否存在于焊縫內(nèi)部，再確認(rèn)其相關(guān)分布；最后通過宏觀剖傷結(jié)合著色滲透檢測，確認(rèn)逐層不連續(xù)是否存在，再確認(rèn)其分布與形態(tài)，同時用便攜式X射線熒光金屬分析儀測量焊縫金屬的含量，以便分析可能存在的組織和出現(xiàn)裂紋的原因。

2.2 試驗儀器

2.2.1 著色滲透檢測器材

YP-ST著色滲透劑,YD-ST顯像劑,YR-ST清洗劑,SBS-3型靈敏度試片,鋼板尺和輔助物品。

2.2.2 超聲波檢測儀器及附件

型號為MDF-800C的A型超聲波探傷儀：橫波探頭2.5P10×10A70，以及相關(guān)試塊和耦合劑等。

2.2.3 宏觀檢驗用器具

砂輪機，不銹鋼砂輪片，砂紙，放大鏡，數(shù)碼相機，XRF(X射線熒光光譜分析)金屬分析儀等。

3 試驗結(jié)果

3.1 著色滲透檢測結(jié)果

對兩處焊縫表面及兩側(cè)25 mm范圍內(nèi)進(jìn)行打磨和清洗后，按照著色滲透檢測程序和靈敏度試片校驗同步進(jìn)行檢測，橫向缺陷區(qū)著色滲透檢測結(jié)果如圖3所示[3]。圖3(a)中除了焊縫兩側(cè)焊趾區(qū)有不太明顯的1 mm長線性缺陷外，焊縫表面并沒有任何橫向線性不連續(xù)缺陷；圖3(b)處焊縫表面呈現(xiàn)21 mm長表面開口橫向裂紋；圖3(c)為SBS-3靈敏度試片對比試驗結(jié)果。

圖4 A型脈沖反射式超聲波橫波法掃查相關(guān)區(qū)及波形動態(tài)圖

圖3 橫向缺陷區(qū)著色滲透檢測結(jié)果

3.2 超聲波檢測結(jié)果

采用2.5P10×10A70的橫波探頭在焊縫兩側(cè)與焊縫軸線成10°左右進(jìn)行橫向不連續(xù)掃查，發(fā)現(xiàn)在70°掃查焊縫1橫截面近表面到最深處14.2 mm有多處游動脈沖反射信號[4],而焊縫2最深處顯示埋深為6.4 mm。焊縫1典型最深處超聲波脈沖反射信號和反射信號包絡(luò)圖如圖4所示。

3.3 宏觀檢驗結(jié)果

根據(jù)超聲波檢測數(shù)據(jù)顯示的定位數(shù)據(jù)，采用砂輪漸進(jìn)打磨去除焊縫余高后，進(jìn)行著色滲透檢測，進(jìn)一步確認(rèn)裂紋數(shù)量和分布及走向[5]，檢測結(jié)果如圖5所示。不同深度出現(xiàn)的裂紋數(shù)量、尺寸和分布如表1所示。同時仔細(xì)觀察焊縫表面成型和打磨后進(jìn)行宏觀觀察，發(fā)現(xiàn)其焊接順序并不符合焊接工藝要求，原本應(yīng)該按照焊接工藝規(guī)范采用φ1.2 mm 的E307T1-1藥芯焊絲填充和蓋面焊縫梯形,過渡到碳鋼焊縫，而實際焊接中卻是采用焊絲直徑為φ5 mm的BHM-1/SJ101自動焊接進(jìn)行填充和蓋面,過渡到了不銹鋼焊縫，使用PMI(材料金屬成分識別-光譜分析法)對層間和表面焊縫的Cr、Ni、Mo和Mn元素的含量進(jìn)行測量，測得其平均值分別為12.4%，7.85%，0.74%和0.85%。圖2(a)和圖3(b)中的輪廓和截面顯示。

表1 焊縫打磨深度及其對應(yīng)的裂紋數(shù)量和分布

圖5 焊縫2相關(guān)區(qū)焊縫打磨去除后不同深度著色滲透檢測結(jié)果

沒有發(fā)現(xiàn)任何表面裂紋缺陷。

4 檢測結(jié)果分析

4.1 無損檢測結(jié)果分析

從兩處焊縫橫向缺陷區(qū)著色滲透檢測的結(jié)果可以看出，只有焊縫2表面有明顯缺陷，說明此處橫向缺陷為開口型不連續(xù)，而焊縫1檢測結(jié)果卻無法判斷其顯示是否為真實不連續(xù)，只能說明焊縫表面沒有開口型不連續(xù)。

通過超聲波橫向掃查發(fā)現(xiàn)焊縫焊縫1內(nèi)部存在多個分布于不同深度的橫向回波顯示,而焊縫2內(nèi)部僅有一處橫向回波顯示。由于受到近場區(qū)的影響，焊縫1無法確認(rèn)是否延伸到焊縫表面，但彌補了著色滲透檢測的不足，對焊縫1處用超聲波檢測說明焊縫內(nèi)部也是有橫向不連續(xù)存在的，為進(jìn)一步宏觀檢驗和分析提供了依據(jù)。

4.2 宏觀剖傷分析

宏觀剖傷分析結(jié)合著色滲透檢測，確認(rèn)了橫向缺陷區(qū)焊縫內(nèi)部不連續(xù)缺陷的形貌、分布、走向、尺寸和數(shù)量，表1和圖5為不連續(xù)的定性提供了充足的證據(jù)。根據(jù)形貌完全可以斷定兩處橫向焊縫均存在橫向裂紋缺陷。

在宏觀顯示中，橫向裂紋的數(shù)量是從焊縫加強高表面以下開始逐漸遞增，而且越靠近不銹鋼焊縫填充層和碳鋼焊縫填充層的熔合面，其數(shù)量越多，裂紋的長度越長，但最長的在緊鄰表面異種鋼接頭過渡區(qū)收弧位置，長度分別為32 mm和21 mm，著色滲透檢測驗證了焊縫1表面的最大橫向裂紋，并未延伸擴展到焊縫表面成為開口裂紋，而焊縫2處最大橫向裂紋已經(jīng)擴展到表面形成開口裂紋。橫向裂紋主要分布在碳鋼對接焊縫自動焊接過渡到異相鋼搭接終止的填充和蓋面焊縫區(qū)域，長度小于60 mm。裂紋走向由表面到內(nèi)部，其寬度由寬變窄到狹細(xì)，從焊縫1著色檢測結(jié)果來看，裂紋可能是起源于焊縫內(nèi)部。

焊接記錄顯示，所有存在問題的焊縫均已焊接完工后第6天和第25天，根據(jù)焊后48 h著色滲透檢測原始記錄、外觀檢驗記錄和現(xiàn)場檢驗及見證人員口錄，并沒有發(fā)現(xiàn)任何的表面裂紋缺陷或者顯示。而兩處所呈現(xiàn)的裂紋一個在焊縫余高下分布，一個開口到焊縫余高并橫過焊縫表面，可以推論形成的裂紋是延遲型裂紋和經(jīng)歷不同時間擴展的結(jié)果。

4.3 橫向裂紋形成的初步分析

根據(jù)PMI(材料金屬成分識別-光譜分析法)測量焊縫內(nèi)部和表面成分的差異，根據(jù)舍夫勒組織圖，其鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量分別為13.74%和10.68%[2]。

由于錯誤地采用埋弧自動焊接工藝，電流及波動范圍大，導(dǎo)致了大熔深及熔合比，而低碳鋼成分的填充金屬和母材金屬的熔化填充勢必造成對先焊接的異種鋼焊縫在熔合區(qū)的急劇稀釋作用，焊縫組織完全在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域，其組織為硬脆相，導(dǎo)致冷裂紋風(fēng)險的增加。

在過渡層中，由于埋弧自動焊保溫時間過長和層間溫度過高，也會導(dǎo)致馬氏體組織脆性增加和填充層塑性顯著減低而形成塑性帶區(qū)，同時蓋面焊道對填充焊道的后熱，會使得異種鋼焊縫區(qū)和填充母材間脫碳層寬度增大，在碳鋼區(qū)域形成軟化的脫碳層，在異種鋼區(qū)形成硬度較高的增碳層間產(chǎn)生組織應(yīng)力。

同時，由于異種鋼區(qū)和碳鋼填充焊縫的熱膨脹系數(shù)差異顯著，而這種局部區(qū)域的焊接加熱和后熱，會造成焊接后在熔合區(qū)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力，而這種殘余應(yīng)力并沒有在后熱中消除或者減弱，只會重新分布和釋放，導(dǎo)致裂紋在脆硬組織區(qū)產(chǎn)生和擴展。從而驗證了圖5和圖3(a)中宏觀裂紋的分布和趨勢相吻合。

5 結(jié)語

(1) 通過綜合無損檢測方法相互驗證，彌補了目視檢測和著色滲透檢測的不足，避免了主觀認(rèn)識而導(dǎo)致焊縫中潛在危害性裂紋缺陷的誤判和漏檢。

(2) 宏觀剖傷分析能夠有效地評估和驗證焊縫表面顯現(xiàn)的疑似橫向缺陷和超聲波檢測結(jié)果的真?zhèn)我约安贿B續(xù)的分布、數(shù)量、走向、尺寸、形貌和性質(zhì)。

(3) 通過PMI數(shù)據(jù)結(jié)合舍夫勒組織圖，對評估橫向裂紋出現(xiàn)的原因給出了重要判據(jù)，即沒有嚴(yán)格遵守焊接工藝規(guī)范要求導(dǎo)致組織相變發(fā)生變化，產(chǎn)生過大的殘余應(yīng)力導(dǎo)致界面處脆性組織斷裂及應(yīng)力釋放擴展，使得裂紋源由內(nèi)部逐步擴展到表面成為宏觀橫向裂紋，是裂紋產(chǎn)生的主要機理。