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低合金埋弧焊焊縫缺陷防止就這么簡單
1. 接管與筒體對接焊工藝
某核電項目主設(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(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(yù)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(lǐng)域，埋弧焊是相對其他自動焊技術(shù)比較成熟的技術(shù)，在造船、鍋爐、化工容器、橋梁、起重機械、冶金機械制造業(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接焊，如果埋弧焊接工藝控制不好，也會出現(xiàn)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(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。對其中某個MT顯示區(qū)域進行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PT顯示區(qū)域進行現(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。對裂紋進行金相觀察，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
對現(xiàn)場金相觀測區(qū)域進行維氏硬度測試：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(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備等三個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接頭焊縫進行了整圈加熱，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(chǎn)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(xiàn)。
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(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，接管與筒體對接焊縫熱處理后產(chǎn)生的焊腳裂紋主要原因為接頭厚度大、焊接時應(yīng)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(jié)構(gòu)，應(yīng)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(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，擴大焊縫兩側(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，增強晶間結(jié)合力。焊后及時進行焊后熱處理，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，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進行中間熱處理或者**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(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，蓋面層焊接時應(yīng)采用小熱輸入量的焊接參數(shù)，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(chǎn)生。
