鋼板母材中的缺欠對焊接接頭的影響

陳雪峰

（中國水利水電第五工程局有限公司，成都 610225）

1 水電站工程壓力鋼鋼板材常見的問題

1.1 低合金鋼及高強鋼壓力鋼管在水電站的檢測要求

按照《水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規范》（DL/T 5017-2007）要求，制作壓力鋼管前，檢測人員要對板材（Q345R）質量進場抽檢，抽檢方式按照規格型號、批次、爐號等進行，基礎試驗包括無損檢測和理化試驗，無損檢測執行《鋼鍛件超聲檢測方法》（GB/T6402-2008）標準，無損檢測和理化試驗結果顯示其符合驗收標準要求。

Q345R鋼板為低合金鋼高強鋼，在水利水電工程壓力鋼管方面應用廣泛，該鋼材具備成熟的焊接工藝，2002年初次使用時已經完成對此類材質的焊接工藝性能評定，有符合相關要求的焊接工藝評定報告和焊接作業指導書（焊接工藝卡）。

1.2 低合金鋼及高強鋼壓力鋼管出現的質量問題

鋼板進場檢測合格后進入卷制和焊接過程，即從開始的鋼板檢測到焊縫檢測的轉換過程。鋼板檢測與焊縫采用的標準在合格驗收尺度方面存在差異，換言之，焊縫檢測比鋼板進場檢測要在定量、定性尺度上更嚴格，特別是目前使用的TOFD檢測技術對缺欠檢出率已達90%。

在對國內某電站壓力鋼管（Q345R）焊縫進行TOFD檢測時，檢測人員發現鋼板母材存在缺欠，對此類板材形成的焊縫TOFD檢測結果造成影響，卻難以區分母材缺欠和焊縫缺欠。其間按標準對母材進行超聲波檢測，其質量符合標準要求。對焊縫進行超聲波檢測，檢測人員發現連續的回波幅度低于評定線的反射回波信號，其深度位于母材中缺欠的深度位置（10～12 mm），其水平位置位于焊縫兩側邊緣熔合線附近。并在顯示部位做滲透和磁粉檢測，發現線性痕跡顯示。

缺欠狀況分析：壓力鋼管焊接接頭的缺欠主要存在于熔合線附近區域，采用碳弧氣刨方法對焊縫進行清理時發現缺欠向母材側擴展，裂紋為沿晶開裂形態，斷續分布在母材深度10～12 mm區域，初步判定裂紋形式為熱裂紋，熱裂紋產生的主要原因是裂紋區域存在一定的拉應力（內應力和外應力）和低熔點共晶物，而拉應力的產生可能是焊縫拼裝工藝或焊接（碳弧氣刨）過程造成的[1]。

2 缺欠區域的宏觀、微觀表征

分相變區為鐵素體和珠光體組織，中部區域珠光體含量偏高，黑帶較為明顯。

2#試樣的組織主要是先析鐵素體、針狀鐵素體、粒狀鐵素體和少量珠光體組織，過熱區組織存在脆性的魏氏組織和少量塊狀鐵素體，部分相變區為鐵素體和珠光體組織，中部區域珠光體含量較多，存在黑色帶狀。

因此，焊接接頭產生缺欠的部位沒有出現淬硬M組織，裂紋不可能是冷裂紋，而是熱裂紋性質。在母材偏析的黑帶內部，還存在細條狀物質（FeS或MnS夾雜物）分布，Fe+FeS共晶，熔點為989℃，屬于低熔點共晶物，其存在將大大增加焊接時的熱裂紋生成敏感性。

從存在缺欠的焊接接頭截取兩件金相試樣進行打磨、拋光和腐蝕處理，由宏觀金相結果可以看出，1#試樣的母材兩側的中部位置存在明顯的偏析帶，明顯存在1～2 mm寬度的黑帶和淺色帶狀形態，黑帶主要組織為珠光體，黑帶兩側的淺色帶組織以鐵素體為主，而2#試樣僅母材一側的中部位置存在明顯的偏析帶，組織形態和1#試樣的組織一致。1#和2#試樣均取自一件焊接接頭，而母材中部位置的帶狀組織偏析狀況不太一樣，1#試樣的母材部位偏析更加嚴重，說明母材的組織不是很均勻，冶煉和軋制生產工藝存在不穩定性。

1#試樣的焊縫組織主要是先析鐵素體、條狀鐵素體、針狀鐵素體和少量珠光體組織，過熱區組織存在脆性的魏氏組織和偏少量的塊狀和條狀鐵素體，部

3 母材偏析問題分析

針對母材的偏析，采用EDS分析手段對焊接接頭的HAZ區和母材的偏析帶區域的C、Si、Mn、P、S元素分布進行定性分析，分析區域為以黑帶為中心跨度的4.5 mm區域，母材的偏析帶區域分析，條狀夾雜物清晰可見，母材的偏析帶區域分析，同樣條狀夾雜物清晰可見。

黑帶處的S、P含量均高于其他區域至少2倍，Mn含量也很高，因此在黑帶區域很有可能形成Fe+FeS低熔點共晶物或高熔點的MnS夾雜物。夾雜物的元素含量分布如表1所示。其中，相關含量為微區含量，作為定性分析僅作為參考，不能代表實際的合金含量。

表1 夾雜物位置元素含量

由表1可以看出，夾雜物長度一般為50 μm左右，最長達到100 μm左右。1區夾雜物中S含量很高，含量較高的Mn和Fe元素形成了MnS和Fe+FeS，（Mn，Fe）S固溶體為單晶體。Fe+FeS熔點僅為989℃，是低熔點共晶物；MnS為非金屬化合物，熔點為1 620℃，呈現為線狀形態，而金相顯示該化合物為線狀形態，因此該化合物為MnS的可能性最大，當然也部分含有Fe+FeS低熔點共晶物；3區和4區的母材中元素基本是Fe，S基本沒有。三個區域內P元素的含量很少，采用EDS局部點分析結果顯示不出來。

表1中2區含有少量的氧元素，勢必產生少量的氧硫化合物。有研究表明，當氧硫化合物長度大于65 μm時，發生裂紋的概率是100%。（FeS·FeO）共晶體的熔點溫度為940℃，更加利于熱裂紋的產生。

Q345R材料的線膨脹系數在750℃左右，線膨脹系數為15.0×10-6/℃左右。母材熱影響區的最高溫度可高達1 300℃，材料的線膨脹系數更高。MnS為非金屬化合物，其線膨脹系數大于基體的線膨脹系數，屬于典型的塑性夾雜物。當MnS夾雜物較短時，其與鋼基體結合良好，不會使基體產生鑲嵌應力而引起應力集中，劃傷基體，形成裂紋源。但是，塑性夾雜物仍為異性夾雜物，不可能在基體受到溫度作用下膨脹時保持與基體一樣的變形能力，對基體具有割裂作用的事實始終存在，從而也不可避免地對裂紋的萌生有一定的負面影響。夾雜物越多越長，裂紋發生的概率越大；溫度越高，由于夾雜物和基體線膨脹系數的不同，基體和MnS夾雜物的界面處產生的剪切應力越大，使得該處裂紋產生的可能性越大[2]。

因此，較多較長的高熔點MnS線狀夾雜物的存在和低熔點共晶物Fe+FeS均可能造成基體在高溫作用下發生開裂。

4 結果及缺欠性質

試驗分析表明，對于深度為10～12 mm的缺欠區域宏觀和微觀表征，深度10～12 mm、靠近焊縫區域的母材較為嚴重的黑帶偏析缺欠位置基本重疊，這就很好地解釋該區域裂紋的產生原因。母材中部S較為嚴重的偏析是造成裂紋缺欠的主要內因，S元素的局部偏析使得少量Fe+FeS低熔點共晶物存在于該區域，在焊接或碳弧氣刨工藝引起的殘余拉應力作用下形成熱裂紋。其中存在較多的高熔點MnS夾雜物，由于和基材線膨脹系數的不同和焊縫內外應力的作用，在焊接或碳弧氣刨的高溫作用下，夾雜物和基體的結合面出現開裂。另外，少量（FeS·FeO）共晶體的存在也有利于熱裂紋的產生。當然，這樣也能很好地解釋在發現超標缺欠后采用碳弧氣刨工藝向母材側清理焊縫缺欠時，裂紋繼續向母材內部擴展的現象。

從焊縫清理后的坡口處觀察，裂紋性質為熱裂紋。母材存在嚴重的偏析現象，偏析嚴重位置黑帶主要為珠光體組織，旁邊的淺色帶主要為鐵素體組織，黑帶內存在一定的夾雜物。較長較多的條狀夾雜物為MnS，和基體的線膨脹系數有一定的差別，并且夾雜物含有少量的Fe+FeS低熔點共晶物和更少量的（FeS·FeO）低熔點共晶物，這是產生裂紋的內因。

5 處理方案與措施

5.1 處理方案一

首先對出現焊接質量問題的鋼板追溯到爐號、批次號，確認是哪個批次的鋼板出現此類問題，馬上停止使用該批次鋼板制作，連同和完成的鋼管全部返廠報廢處理。

5.2 處理方案二

在已經采納使用存在此類鋼板缺欠的情況下，施工人員要在焊接和裝配工藝上要采取措施，采用較小的焊接線能量進行焊接，在雙面焊接情況下盡量不采用碳弧氣刨對根部進行清根處理，宜采用砂輪機進行磨削處理。如果采用碳弧氣刨進行清根，應采用砂輪機打磨去掉滲碳層至少1～2 mm的深度，并采用著色探傷或磁粉探傷進行檢查，合格后方可進行下一步焊接。

5.3 處理方案三

對于焊接時少量位置熱影響區出現裂紋的問題，建議采用機械打磨的方式磨去缺欠位置的金屬，并采用表面探傷檢查裂紋情況，直到沒有裂紋出現，預熱后采用較小線能量進行修補焊接，焊接時采用錘擊法盡量消除焊接殘余應力，以降低重新焊接時的裂紋傾向性。

6 實施結果與總結

針對原有出現問題的焊縫和后續同批次鋼板焊接，檢測人員采用TOFD檢測和磁粉檢測方法進行檢測，結果均未發現超標缺陷，均顯示合格，同批次鋼板焊接試板理化和力學試驗結果符合規范要求。目前，鋼板檢測驗收標準和焊縫檢測驗收標準存在差異，人們要利用新的檢測技術，如超聲波衍射時差成像技術和相控陣技術對低合金或低合金高強鋼提前介入檢測，提高編制企業內部鋼板（鍛件）檢測作業指導書檢測標準，實現《鋼鍛件超聲檢測方法》（GB T6402-2008）與《焊縫無損檢測超聲波檢測技術、檢測等級和評定》（GB/T11345-2013）之間的無縫對接。

鋼板生產廠家的鍛件軋制生產線的能力良莠不齊，在鋼板進場時，檢測人員需要對每個批次的鋼板按照焊接工藝指導書進行試驗，通過無損檢測和理化試驗在鋼板未進入制作流程前發現問題，以便及時返廠。通過分析該電站鋼板焊接缺陷情況，人們可以調整焊接方案，有效控制焊接質量，供同類鋼管制作安裝工程借鑒，但是做好鋼板進場檢測和源頭質量控制更為重要。