低合金钢埋弧焊缝缺陷成因分析及防止措施

■ 李双燕

1. 接管与筒体对接焊工艺

某核电项目主设备接管与筒体材料为低合金钢SA508Gr3CL2锻件，筒体直径约为6.4m，接管直径约为1.2m，厚度均为140mm。对接接头采用双面U形坡口埋弧焊，焊接顺序为先进行外壁埋弧焊，再内壁清根，然后内壁埋弧焊。

焊接设备采用ESAB LAF 1600DC/125—ES1—300，埋弧焊丝/焊剂组合采用F9P4—EM2—M2类型，焊丝直径为4.0mm，牌号为Lincoln weld LA—100，焊剂牌号为MIL 800—H。焊接过程中打底层、填充层与盖面层的焊接电流均为500～600A，电弧电压为28～34V，焊接速度为400～500mm/min。焊前预热温度至少150℃，焊后去氢处理温度至少300℃，时间至少4h，焊后和热处理后均进行100%MT、100%UT和100%RT检测。

在焊接领域，埋弧焊是相对其他自动焊技术比较成熟的技术，在造船、锅炉、化工容器、桥梁、起重机械、冶金机械制造业、海洋结构和核电设备中应用最为广泛。虽然埋弧焊接技术比较成熟，但大厚度、大直径的接管与筒体对接焊，如果埋弧焊接工艺控制不好，也会出现气孔、夹渣、裂纹等缺陷。

2. 对接焊缝缺陷及原因分析

接管与筒体接头焊后进行的MT、UT和RT检测未发现缺陷，而热处理MT检测发现缺陷，在接管与筒体焊缝内壁熔合线区域有多处线性显示，长度均在20～30mm。对其中某个MT显示区域进行PT检测，检查发现线状显示，PT与MT显示位置基本重合。对PT显示区域进行现场金相观察，在抛光腐蚀后可肉眼观察到位于焊缝熔合线处有细长裂纹存在，长度约20mm。对裂纹进行金相观察，通过显微镜发现裂纹位于焊缝熔合线上，裂纹细长，如图1所示。

图1 现场金相组织

对现场金相观测区域进行维氏硬度测试：硬度测试结果显示，在焊缝中心线区域，硬度为258～302HV；在焊缝中心线至熔合线之间，硬度为220～280HV；在缺陷位置处的硬度为359～456HV。 选取其中一处MT显示进行抛磨，每抛磨1mm后立即进行MT检测，抛磨深度为3mm时，MT合格，缺陷显示消失，表明该缺陷位于接头近表层。根据以上结果，可判断该缺陷属于焊脚裂纹。

焊脚裂纹属于冷裂纹中延迟裂纹的一种，这类裂纹有可能在焊后立即出现，也有可能在焊后延迟出现。延迟裂纹的出现与焊缝金属中的氢含量、焊接接头所承受的拉应力、由钢材淬硬倾向决定的金属的塑性储备等三个因素的交互作用有关。焊接应力是产生焊接裂纹的根本原因，由于接管与筒体焊缝结构的特殊性，接管内壁为典型的高拉应力集中区，更容易产生焊脚裂纹。

接管与筒体焊缝采用的预热方式为火焰局部加热，且加热过程中火炬仅对接头焊缝进行了整圈加热，加热面积不足，加热区温度高，非加热区温度低，温度梯度大，易产生较大焊接拘束应力。焊接结束后，采用火焰加热进行后热，保温时间如果不充足，扩散氢不能够充分逸出，继而埋下产生延迟裂纹的隐患。可见加热面积小，温度梯度大也容易造成焊脚裂纹出现。

在整个接头的焊接过程中，实际施焊的焊接电流为592A，接近实际焊接工艺规程中要求的焊接电流上限600A，造成盖面层焊接热输入量过大。从图2产品接头焊缝照片中可以看出焊道较宽，焊道排布数量减少，造成近表层熔合线附近区域晶粒粗大。

3. 防止措施

根据以上的缺陷定性及原因分析，接管与筒体对接焊缝热处理后产生的焊脚裂纹主要原因为接头厚度大、焊接时应力较大，加热不均匀，以及盖面层焊接时热输入量较大。

对于大厚度接管与大厚度筒体对接的焊接结构，应从以下几个方面加强工艺过程控制，以获得满意的焊接接头质量。

（1）增加预热温度，由原来的至少150℃提高为至少175℃，防止过冷度较大，而导致近缝区母材淬硬倾向大。提高后热温度区间，由250～350℃提高至350～400℃，以减缓冷却速度。

（2）预热和后热时，扩大焊缝两侧的加热范围并均匀布置加热源，布置足够的保温材料，以减缓温度梯度。

（3）焊接过程中，控制热输入量，防止近缝区母材晶粒过于粗大，增强晶间结合力。焊后及时进行焊后热处理，消除应力。焊接过程中，控制热输入量，减少局部应力过大。

（4）对接焊过程中，区分打底层、填充层与盖面层的焊接参数，降低盖面层的焊接热输入量。接头最后几层焊接时，采用低热输入量焊接，减少焊道宽度，增加排道数量，以减少应力集中，减轻焊接热影响区过热区的晶粒粗大，焊接电流采用500～550A。最终焊道采用退火焊道排道方法，以减少试件焊接完成后因未能及时进行中间热处理或者最终热处理而导致在焊脚处出现裂纹的几率。盖面层焊完后，立即修磨两侧与母材搭接的焊脚区域，去除成形不良处，抛磨平滑过渡。

图2 接管与筒体接头焊缝内壁盖面层

4. 结语

对于直径和厚度较大的接管与筒体，使用埋弧焊接工艺进行对接焊时，为预防焊脚裂纹出现，应适当增加预热温度和后热去氢温度，以及增加保温面积，减少温度梯度。焊接过程中，应控制热输入量，避免局部应力过大。打底层、填充层与盖面层的焊接参数应予区分，盖面层焊接时应采用小热输入量的焊接参数，并采用退火焊道法进行焊接。

采取防止工艺措施后，接管与筒体接头焊后和热处理后进行的100%MT、100%UT和100%RT检测均合格，有效地避免了焊脚裂纹的产生。