钢板母材中的缺欠对焊接接头的影响

陈雪峰

（中国水利水电第五工程局有限公司，成都 610225）

1 水电站工程压力钢钢板材常见的问题

1.1 低合金钢及高强钢压力钢管在水电站的检测要求

按照《水电水利工程压力钢管制造安装及验收规范》（DL/T 5017-2007）要求，制作压力钢管前，检测人员要对板材（Q345R）质量进场抽检，抽检方式按照规格型号、批次、炉号等进行，基础试验包括无损检测和理化试验，无损检测执行《钢锻件超声检测方法》（GB/T6402-2008）标准，无损检测和理化试验结果显示其符合验收标准要求。

Q345R钢板为低合金钢高强钢，在水利水电工程压力钢管方面应用广泛，该钢材具备成熟的焊接工艺，2002年初次使用时已经完成对此类材质的焊接工艺性能评定，有符合相关要求的焊接工艺评定报告和焊接作业指导书（焊接工艺卡）。

1.2 低合金钢及高强钢压力钢管出现的质量问题

钢板进场检测合格后进入卷制和焊接过程，即从开始的钢板检测到焊缝检测的转换过程。钢板检测与焊缝采用的标准在合格验收尺度方面存在差异，换言之，焊缝检测比钢板进场检测要在定量、定性尺度上更严格，特别是目前使用的TOFD检测技术对缺欠检出率已达90%。

在对国内某电站压力钢管（Q345R）焊缝进行TOFD检测时，检测人员发现钢板母材存在缺欠，对此类板材形成的焊缝TOFD检测结果造成影响，却难以区分母材缺欠和焊缝缺欠。其间按标准对母材进行超声波检测，其质量符合标准要求。对焊缝进行超声波检测，检测人员发现连续的回波幅度低于评定线的反射回波信号，其深度位于母材中缺欠的深度位置（10～12 mm），其水平位置位于焊缝两侧边缘熔合线附近。并在显示部位做渗透和磁粉检测，发现线性痕迹显示。

缺欠状况分析：压力钢管焊接接头的缺欠主要存在于熔合线附近区域，采用碳弧气刨方法对焊缝进行清理时发现缺欠向母材侧扩展，裂纹为沿晶开裂形态，断续分布在母材深度10～12 mm区域，初步判定裂纹形式为热裂纹，热裂纹产生的主要原因是裂纹区域存在一定的拉应力（内应力和外应力）和低熔点共晶物，而拉应力的产生可能是焊缝拼装工艺或焊接（碳弧气刨）过程造成的[1]。

2 缺欠区域的宏观、微观表征

分相变区为铁素体和珠光体组织，中部区域珠光体含量偏高，黑带较为明显。

2#试样的组织主要是先析铁素体、针状铁素体、粒状铁素体和少量珠光体组织，过热区组织存在脆性的魏氏组织和少量块状铁素体，部分相变区为铁素体和珠光体组织，中部区域珠光体含量较多，存在黑色带状。

因此，焊接接头产生缺欠的部位没有出现淬硬M组织，裂纹不可能是冷裂纹，而是热裂纹性质。在母材偏析的黑带内部，还存在细条状物质（FeS或MnS夹杂物）分布，Fe+FeS共晶，熔点为989℃，属于低熔点共晶物，其存在将大大增加焊接时的热裂纹生成敏感性。

从存在缺欠的焊接接头截取两件金相试样进行打磨、抛光和腐蚀处理，由宏观金相结果可以看出，1#试样的母材两侧的中部位置存在明显的偏析带，明显存在1～2 mm宽度的黑带和浅色带状形态，黑带主要组织为珠光体，黑带两侧的浅色带组织以铁素体为主，而2#试样仅母材一侧的中部位置存在明显的偏析带，组织形态和1#试样的组织一致。1#和2#试样均取自一件焊接接头，而母材中部位置的带状组织偏析状况不太一样，1#试样的母材部位偏析更加严重，说明母材的组织不是很均匀，冶炼和轧制生产工艺存在不稳定性。

1#试样的焊缝组织主要是先析铁素体、条状铁素体、针状铁素体和少量珠光体组织，过热区组织存在脆性的魏氏组织和偏少量的块状和条状铁素体，部

3 母材偏析问题分析

针对母材的偏析，采用EDS分析手段对焊接接头的HAZ区和母材的偏析带区域的C、Si、Mn、P、S元素分布进行定性分析，分析区域为以黑带为中心跨度的4.5 mm区域，母材的偏析带区域分析，条状夹杂物清晰可见，母材的偏析带区域分析，同样条状夹杂物清晰可见。

黑带处的S、P含量均高于其他区域至少2倍，Mn含量也很高，因此在黑带区域很有可能形成Fe+FeS低熔点共晶物或高熔点的MnS夹杂物。夹杂物的元素含量分布如表1所示。其中，相关含量为微区含量，作为定性分析仅作为参考，不能代表实际的合金含量。

表1 夹杂物位置元素含量

由表1可以看出，夹杂物长度一般为50 μm左右，最长达到100 μm左右。1区夹杂物中S含量很高，含量较高的Mn和Fe元素形成了MnS和Fe+FeS，（Mn，Fe）S固溶体为单晶体。Fe+FeS熔点仅为989℃，是低熔点共晶物；MnS为非金属化合物，熔点为1 620℃，呈现为线状形态，而金相显示该化合物为线状形态，因此该化合物为MnS的可能性最大，当然也部分含有Fe+FeS低熔点共晶物；3区和4区的母材中元素基本是Fe，S基本没有。三个区域内P元素的含量很少，采用EDS局部点分析结果显示不出来。

表1中2区含有少量的氧元素，势必产生少量的氧硫化合物。有研究表明，当氧硫化合物长度大于65 μm时，发生裂纹的概率是100%。（FeS·FeO）共晶体的熔点温度为940℃，更加利于热裂纹的产生。

Q345R材料的线膨胀系数在750℃左右，线膨胀系数为15.0×10-6/℃左右。母材热影响区的最高温度可高达1 300℃，材料的线膨胀系数更高。MnS为非金属化合物，其线膨胀系数大于基体的线膨胀系数，属于典型的塑性夹杂物。当MnS夹杂物较短时，其与钢基体结合良好，不会使基体产生镶嵌应力而引起应力集中，划伤基体，形成裂纹源。但是，塑性夹杂物仍为异性夹杂物，不可能在基体受到温度作用下膨胀时保持与基体一样的变形能力，对基体具有割裂作用的事实始终存在，从而也不可避免地对裂纹的萌生有一定的负面影响。夹杂物越多越长，裂纹发生的概率越大；温度越高，由于夹杂物和基体线膨胀系数的不同，基体和MnS夹杂物的界面处产生的剪切应力越大，使得该处裂纹产生的可能性越大[2]。

因此，较多较长的高熔点MnS线状夹杂物的存在和低熔点共晶物Fe+FeS均可能造成基体在高温作用下发生开裂。

4 结果及缺欠性质

试验分析表明，对于深度为10～12 mm的缺欠区域宏观和微观表征，深度10～12 mm、靠近焊缝区域的母材较为严重的黑带偏析缺欠位置基本重叠，这就很好地解释该区域裂纹的产生原因。母材中部S较为严重的偏析是造成裂纹缺欠的主要内因，S元素的局部偏析使得少量Fe+FeS低熔点共晶物存在于该区域，在焊接或碳弧气刨工艺引起的残余拉应力作用下形成热裂纹。其中存在较多的高熔点MnS夹杂物，由于和基材线膨胀系数的不同和焊缝内外应力的作用，在焊接或碳弧气刨的高温作用下，夹杂物和基体的结合面出现开裂。另外，少量（FeS·FeO）共晶体的存在也有利于热裂纹的产生。当然，这样也能很好地解释在发现超标缺欠后采用碳弧气刨工艺向母材侧清理焊缝缺欠时，裂纹继续向母材内部扩展的现象。

从焊缝清理后的坡口处观察，裂纹性质为热裂纹。母材存在严重的偏析现象，偏析严重位置黑带主要为珠光体组织，旁边的浅色带主要为铁素体组织，黑带内存在一定的夹杂物。较长较多的条状夹杂物为MnS，和基体的线膨胀系数有一定的差别，并且夹杂物含有少量的Fe+FeS低熔点共晶物和更少量的（FeS·FeO）低熔点共晶物，这是产生裂纹的内因。

5 处理方案与措施

5.1 处理方案一

首先对出现焊接质量问题的钢板追溯到炉号、批次号，确认是哪个批次的钢板出现此类问题，马上停止使用该批次钢板制作，连同和完成的钢管全部返厂报废处理。

5.2 处理方案二

在已经采纳使用存在此类钢板缺欠的情况下，施工人员要在焊接和装配工艺上要采取措施，采用较小的焊接线能量进行焊接，在双面焊接情况下尽量不采用碳弧气刨对根部进行清根处理，宜采用砂轮机进行磨削处理。如果采用碳弧气刨进行清根，应采用砂轮机打磨去掉渗碳层至少1～2 mm的深度，并采用着色探伤或磁粉探伤进行检查，合格后方可进行下一步焊接。

5.3 处理方案三

对于焊接时少量位置热影响区出现裂纹的问题，建议采用机械打磨的方式磨去缺欠位置的金属，并采用表面探伤检查裂纹情况，直到没有裂纹出现，预热后采用较小线能量进行修补焊接，焊接时采用锤击法尽量消除焊接残余应力，以降低重新焊接时的裂纹倾向性。

6 实施结果与总结

针对原有出现问题的焊缝和后续同批次钢板焊接，检测人员采用TOFD检测和磁粉检测方法进行检测，结果均未发现超标缺陷，均显示合格，同批次钢板焊接试板理化和力学试验结果符合规范要求。目前，钢板检测验收标准和焊缝检测验收标准存在差异，人们要利用新的检测技术，如超声波衍射时差成像技术和相控阵技术对低合金或低合金高强钢提前介入检测，提高编制企业内部钢板（锻件）检测作业指导书检测标准，实现《钢锻件超声检测方法》（GB T6402-2008）与《焊缝无损检测超声波检测技术、检测等级和评定》（GB/T11345-2013）之间的无缝对接。

钢板生产厂家的锻件轧制生产线的能力良莠不齐，在钢板进场时，检测人员需要对每个批次的钢板按照焊接工艺指导书进行试验，通过无损检测和理化试验在钢板未进入制作流程前发现问题，以便及时返厂。通过分析该电站钢板焊接缺陷情况，人们可以调整焊接方案，有效控制焊接质量，供同类钢管制作安装工程借鉴，但是做好钢板进场检测和源头质量控制更为重要。