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低合金埋弧焊焊縫缺陷防止就這么簡單
1. 接管與筒體對(duì)接焊工藝
某核電項(xiàng)目主設(shè)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(duì)接接頭采用雙面U形坡口埋弧焊,，焊接順序?yàn)橄冗M(jìn)行外壁埋弧焊,，再內(nèi)壁清根,，然后內(nèi)壁埋弧焊,。
焊接設(shè)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(hào)為Lincoln weld LA—100,，焊劑牌號(hào)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(yù)熱溫度至少150℃,，焊后去氫處理溫度至少300℃，時(shí)間至少4h,，焊后和熱處理后均進(jìn)行100%MT,、100%UT和100%RT檢測。
在焊接領(lǐng)域,，埋弧焊是相對(duì)其他自動(dòng)焊技術(shù)比較成熟的技術(shù),，在造船、鍋爐,、化工容器,、橋梁、起重機(jī)械,、冶金機(jī)械制造業(yè),、海洋結(jié)構(gòu)和核電設(shè)備中應(yīng)用**為廣泛。雖然埋弧焊接技術(shù)比較成熟,，但大厚度,、大直徑的接管與筒體對(duì)接焊，如果埋弧焊接工藝控制不好,，也會(huì)出現(xiàn)氣孔,、夾渣、裂紋等缺陷,。
2. 對(duì)接焊縫缺陷及原因分析
接管與筒體接頭焊后進(jìn)行的MT,、UT和RT檢測未發(fā)現(xiàn)缺陷，而熱處理MT檢測發(fā)現(xiàn)缺陷,，在接管與筒體焊縫內(nèi)壁熔合線區(qū)域有多處線性顯示,，長度均在20~30mm,。對(duì)其中某個(gè)MT顯示區(qū)域進(jìn)行PT檢測,，檢查發(fā)現(xiàn)線狀顯示，PT與MT顯示位置基本重合,。對(duì)PT顯示區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)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(xì)長裂紋存在，長度約20mm,。對(duì)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1所示,。
圖1?現(xiàn)場金相
對(duì)現(xiàn)場金相觀測區(qū)域進(jìn)行維氏硬度測試：硬度測試結(jié)果顯示,，在焊縫中心線區(qū)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(jìn)行拋磨,，每拋磨1mm后立即進(jìn)行MT檢測，拋磨深度為3mm時(shí),，MT合格,，缺陷顯示消失，表明該缺陷位于接頭近表層,。根據(jù)以上結(jié)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(xiàn),，也有可能在焊后延遲出現(xiàn)。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的塑性儲(chǔ)備等三個(gè)因素的交互作用有關(guān)。焊接應(yīng)力是產(chǎn)生焊接裂紋的根本原因,，由于接管與筒體焊縫結(jié)構(gòu)的特殊性,，接管內(nèi)壁為典型的高拉應(yīng)力集中區(qū)，更容易產(chǎn)生焊腳裂紋,。?
接管與筒體焊縫采用的預(yù)熱方式為火焰局部加熱,，且加熱過程中火炬僅對(duì)接頭焊縫進(jìn)行了整圈加熱，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)生較大焊接拘束應(yīng)力,。焊接結(jié)束后，采用火焰加熱進(jìn)行后熱,，保溫時(shí)間如果不充足,，擴(kuò)散氫不能夠充分逸出，繼而埋下產(chǎn)生延遲裂紋的隱患,?？梢娂訜崦娣e小,，溫度梯度大也容易造成焊腳裂紋出現(xiàn)。
在整個(gè)接頭的焊接過程中,，實(shí)際施焊的焊接電流為592A,，接近實(shí)際焊接工藝規(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,。從圖2產(chǎn)品接頭焊縫照片中可以看出焊道較寬,，焊道排布數(shù)量減少，造成近表層熔合線附近區(qū)域晶粒粗大,。?
圖2 ?接管與筒體接頭焊縫內(nèi)壁蓋面層照片
3. 防止措施
根據(jù)以上的缺陷定性及原因分析,，接管與筒體對(duì)接焊縫熱處理后產(chǎn)生的焊腳裂紋主要原因?yàn)榻宇^厚度大、焊接時(shí)應(yīng)力較大,，加熱不均勻,，以及蓋面層焊接時(shí)熱輸入量較大。?
對(duì)于大厚度接管與大厚度筒體對(duì)接的焊接結(jié)構(gòu),，應(yīng)從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)工藝過程控制,，以獲得滿意的焊接接頭質(zhì)量。
（1）增加預(yù)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(dǎo)致近縫區(qū)母材淬硬傾向大,。提高后熱溫度區(qū)間,，由250~350℃提高至350~400℃，以減緩冷卻速度,。 ?
（2）預(yù)熱和后熱時(shí),，擴(kuò)大焊縫兩側(cè)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(qū)母材晶粒過于粗大,，增強(qiáng)晶間結(jié)合力。焊后及時(shí)進(jìn)行焊后熱處理,，消除應(yīng)力,。焊接過程中，控制熱輸入量,，減少局部應(yīng)力過大,。?
（4）對(duì)接焊過程中,，區(qū)分打底層,、填充層與蓋面層的焊接參數(shù),，降低蓋面層的焊接熱輸入量。接頭**后幾層焊接時(shí),，采用低熱輸入量焊接,，減少焊道寬度，增加排道數(shù)量,，以減少應(yīng)力集中,，減輕焊接熱影響區(qū)過熱區(qū)的晶粒粗大，焊接電流采用500~550A,。**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(shí)進(jìn)行中間熱處理或者**終熱處理而導(dǎo)致在焊腳處出現(xiàn)裂紋的幾率。蓋面層焊完后,，立即修磨兩側(cè)與母材搭接的焊腳區(qū)域,，去除成形不良處，拋磨平滑過渡,。
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4. 結(jié)語
對(duì)于直徑和厚度較大的接管與筒體,，使用埋弧焊接工藝進(jìn)行對(duì)接焊時(shí)，為預(yù)防焊腳裂紋出現(xiàn),，應(yīng)適當(dāng)增加預(yù)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(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)予區(qū)分，蓋面層焊接時(shí)應(yīng)采用小熱輸入量的焊接參數(shù),，并采用退火焊道法進(jìn)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(jìn)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(chǎn)生。
