大直徑厚壁螺旋埋弧焊管鋼帶對接焊縫裂紋分析

雷 浩， 胡德虎， 高 鵬， 曹文軍

（寶雞石油鋼管有限責任公司， 陜西 寶雞721008）

隨著城市輸水及熱力管線用螺旋埋弧焊管建設逐漸向大直徑、 厚壁方向發展， 市場需求日趨增大， 為提高管材利用率， 允許成品管保留鋼帶對接焊縫。 在實際制管過程中， 隨著壁厚的增加， 螺旋埋弧焊管保留對接焊焊縫產生裂紋的傾向也隨之增大。 裂紋是焊接缺陷中危害性最嚴重的缺陷之一， 在管道運行過程中，裂紋尖端產生的應力集中具有延展的可能， 對管道的安全運行留下巨大隱患， 甚至造成災難性的事故， 所以在焊接鋼管生產標準中， 裂紋是不允許存在的。

對接焊焊縫作為保留在管體的一部分焊縫，在遞送到成型器卷管成型過程中， 要經過遞送機的一次擠壓， 再經過成型器卷管變形的內層擠壓和外層拉伸的應力變化， 容易造成焊縫裂紋， 所以對接焊焊縫要比螺旋焊縫有更高的工藝性能要求。 提高對接焊焊縫質量， 解決其裂紋缺陷是螺旋焊管工藝研究的難題之一。

1 螺旋埋弧焊管鋼帶對接焊工藝

螺旋埋弧焊管鋼帶對接焊目前大部分采用的是內外雙面雙絲埋弧焊接工藝， 鋼帶對接正面采用單面焊透背面焊縫基本成形的工藝， 對接焊縫進入成型器卷管成型后， 再對背面進行蓋面焊接。 通過生產現場的大量檢測試驗， 成型后出現的對接焊縫裂紋屬于熱裂紋中的應力裂紋。

以L360MΦ1 620 mm×20 mm 的熱力管道為例， 針對鋼帶對接焊焊縫的裂紋進行分析， 具體焊接工藝參數見表1。

表1 鋼帶對接焊焊接工藝參數

2 對接焊焊縫裂紋類型

2.1 中心裂紋

中心裂紋位于焊縫正中心， 裂紋恰好處于焊縫柱狀晶的匯合面上， 并且沿焊縫縱向擴展， 部分嚴重的裂紋貫穿于整個焊縫， 具有典型的熱裂紋特征， 焊縫中心裂紋酸蝕樣及X 射線檢測結果如圖1 所示。

2.2 邊緣焊趾裂紋

焊趾裂紋屬于再熱裂紋， 也稱液化裂紋，如圖2 所示。 從圖2 可以看出， 裂紋位于焊趾位置處， 并沿著焊趾延展， 具有典型的再熱裂紋的特征， 根據現場生產分析， 焊趾裂紋都產生在原料尾部， 即卷板的頭部， 具有明顯的特征。

圖2 對接焊焊縫邊緣焊趾裂紋及X 射線檢測結果

2.3 表面裂紋

對接焊焊縫表面裂紋形貌及X 射線檢測結果如圖3 所示。 由圖3 可以看出， 裂紋產生在焊縫的表面余高處， 深度為1～2 mm， 并且裂紋主要集中在鋼帶邊沿， 即對接焊焊縫的引熄弧段。

圖3 對接焊焊縫表面裂紋形貌及X 射線檢測結果

2.4 對接焊焊縫橫向裂紋

焊縫橫向裂紋X 射線檢測結果如圖4 所示，由圖4 可以看出， 裂紋垂直焊縫長度方向， 裂紋長度幾乎占了整個焊縫寬度， 是典型的冷裂紋，起源于焊縫中心， 向焊縫兩側延展， 具有嚴重的危害性。

圖4 對接焊焊縫橫向裂紋X 射線檢測結果

3 對接焊焊縫裂紋的產生原因

3.1 冶金元素

3.1.1 鋼帶成分不均勻

鋼帶母材中的合金元素對結晶裂紋的影響較大， C、 S、 P 等有害雜質對結晶裂紋影響和敏感性最大， 其次是Cu、 Ni、 Si、 Cr 等元素。 在焊接過程中， 焊縫金屬凝固結晶時， 先結晶部分較純， 后結晶的部分含雜質和合金元素較多， 元素C、 S、 P 形成低熔相或共晶， 促使結晶偏析造成焊縫金屬化學成分的不均勻性， 隨著柱狀晶長大， 雜質不斷被排斥到平行生長的柱狀晶交界面處或焊縫中心處， 與金屬形成低熔相或共晶， 在結晶后期已凝固的晶粒較多時， 這些殘存的低熔相尚未凝固， 并呈液膜狀態分布于晶粒表面， 隔斷了晶粒之間的聯系， 在冷卻收縮拉應力的作用下， 在晶界處分離形成了結晶裂紋。

熱軋鋼卷的頭尾是化學成分最不穩定的區域， 采用 “I” 形坡口， 焊縫的熔合比較大。 因此， 母材中的元素成分對裂紋產生的影響較大，所以在焊接材料匹配時， 對C、 S、 P 等有害雜質要高度重視， 特別是焊劑中的S、 P 含量應嚴格控制在0.03%以下。

3.1.2 焊材選配不當的影響

焊接材料匹配過高， 焊縫強度比母材強度高，伸長率不一致， 在成型內輥的擠壓和鋼管成型時內表面的擠壓應力作用下， 形成不規則的表面裂紋。 對于缺陷位置的修補一般采用低氫型焊材進行補焊， 可以有效地控制有害雜質， 防止裂紋傾向。

3.2 鋼帶對接過程

3.2.1 鋼帶對接過程的矯平及壓緊

熱軋鋼卷在展開時， 并不是平直均勻的， 而是有橫向凹槽和縱向不平整， 頭尾差異更明顯，凹槽頭部淺， 到尾部時逐漸加深， 為滿足制管成型的需要， 需進行整卷鋼帶的逐步矯平。 鋼帶頭尾矯平壓下量控制不當， 頭尾合縫就是不平整對接， 要在焊臺頭尾夾緊壓平合縫， 同時， 合縫下襯焊劑層墊板上升頂住焊縫， 存在向上頂的壓應力， 焊縫焊接時壓應力向下釋放， 增加了焊縫沿晶界開裂的外力作用。 鋼帶頭尾合縫時形貌、 鋼帶對接壓緊原理如圖5 和圖6 所示。 合縫下襯焊劑層墊板上升對焊縫的壓力不能太大， 應適當減少焊縫結晶過程中的外應力。

圖5 鋼帶頭尾合縫時的形貌

圖6 鋼帶對接壓緊原理示意圖

3.2.2 鋼帶的剪切斷面

鋼帶對頭焊縫采用 “I” 形合縫， 不銑坡口且預留3～4 mm 間隙進行焊接， 剪切斷面的齊整對焊縫的質量影響也很大， 如果剪刃間隙調整不當或剪刃有豁口， 剪切斷面就會撕裂并殘留豁口， 如圖7 所示。 合縫成倒梯形坡口， 嚴重影響焊接熔池的冶金過程和焊縫成形， 造成焊縫一側產生未熔合， 加劇焊趾裂紋的產生。

圖7 鋼帶剪切斷面

3.3 焊縫形貌

3.3.1 焊縫形狀系數

焊縫的形狀系數ψ （ψ＝B/H， B 為熔寬， H為熔深） 最佳控制在1.3～1.7 時， 不會產生熱裂紋， 如圖8 所示。 焊縫形狀系數越大熱裂紋的傾向越小， 反之則相反。 當焊縫的形狀系數≤1時， 將大大增加熱裂紋傾向， 但是焊縫形狀系數也不能過大， 當大于1.8 時， 焊縫邊緣過渡不好， 易產生氣孔、 夾雜等缺陷， 因此焊縫形狀系數要根據焊接實際情況， 綜合考慮多種因素， 選擇最佳的焊縫系數。

圖8 焊縫形狀系數對裂紋的影響

3.3.2 焊縫余高和形貌

焊縫余高太高或者魚脊形狀， 在經過遞送機的時候， 焊縫表面局部硬化， 塑性降低， 當進入成型器卷管變形的過程中， 焊縫又被2#輥局部再次碾壓， 產生不規則形狀的表面裂紋， 這種裂紋大多都沒有深度， 只在表面。

3.4 焊接過程

3.4.1 對接焊焊縫焊偏

焊縫焊偏會造成焊縫形狀發生變化， 形狀系數偏小， 易產生裂紋， 同時焊縫兩側熱影響區受熱不均， 焊接拘束應力不平衡， 也會造成焊趾裂紋。

3.4.2 背縫焊接時的影響

當鋼帶對接焊焊縫焊趾處存在較大的殘余應力和拘束應力時， 背縫蓋面焊接時伴有二次加熱，焊縫中邊沿的粗晶區存在的殘余應力得以釋放， 從有夾雜物或焊縫熔合線咬邊缺陷處開裂， 嚴重的在背縫蓋面焊接時能聽見變形應力所產生的聲音。

3.4.3 焊接熱輸入的影響

生產經驗表明， 盡管對工藝匹配進行了優化，在冶金方面作了許多努力， 但焊接工藝參數不規范， 也會產生裂紋。 當焊接熱輸入較大時， 焊縫冷卻過程中承受的應力變形也越大， 這就為裂紋的產生創造了條件。 焊接熱輸入較大時， 厚壁鋼帶對接焊縫線能量比較大， 會造成熔合線HAZ 組織的過熱粗晶區晶粒尺寸增大。 一般情況下， 晶粒越粗， 則脆性轉變溫度越高， 即脆性增加。 HAZ的過熱粗晶脆化與一般單純晶粒長大所造成的脆化不同， 它是在化學成份、 晶粒組織不均勻的非平衡態條件下形成的， 故而脆化的程度比較嚴重。

4 解決措施

4.1 選擇合適的焊材匹配及焊接規范

（1） 根據鋼帶對接焊焊縫特點， 焊絲匹配的選擇強度應略高于母材， 這樣能有效承載鋼管成型過程中的應力變化， 同時， 選擇S、 P 的成分含量小于0.03%。

（2） 控制焊縫形狀系數， 雙絲焊接的焊絲選擇為前絲Φ4.0 mm、 后絲Φ4.8 mm， 保證焊縫熔透的同時， 增加熔敷量， 增大焊縫寬度。

（3） 鋼帶對接焊時熱輸入高， 線能量較大，焊接規范的設置尤為重要， 特別是采用FCB （焊劑銅墊法） 焊劑焊接時， 前絲電流通常較大， 這樣焊縫背面成型整齊規整。

（4） 鋼帶對接采用埋弧焊接， 電流設置較大， 整條焊縫中間位置應力變形大， 兩端變形小， 因此采用起弧、 熄弧， 兩端焊接速度比中間略慢0.1～0.15 m/min， 同時略降低前絲電流30～50 A， 這樣可以減小焊接拘束應力。

4.2 提高引熄弧板焊接質量

鋼帶對接時必須焊接引熄弧板， 引弧板長度150 mm， 熄弧板長度170 mm， 確保焊縫起弧過渡到鋼帶邊緣焊透， 熄弧端焊縫弧坑在熄弧板上， 為保證對接焊縫質量創造條件。

4.3 合理控制焊縫形貌

采用“Ⅰ” 字形坡口， 在對縫前用角磨機清理鋼帶剪切面上下毛刺及銹蝕； 合理控制對縫間隙和焊接規范， 優化焊縫外觀形貌， 降低焊縫余高； 焊接時防止焊偏， 并控制焊劑流量， 使焊縫過渡平滑規整。

4.4 控制殘余應力

按鋼帶壁厚對應的要求， 及時調整剪刃的間隙， 剪切截面積控制在50%以下， 減少剪切面因撕裂加劇殘余應力， 更有利于焊縫形狀控制；當剪刃有豁口、 剪刃圓鈍時， 及時更換新剪刃，確保剪切斷面齊整鋒利。

4.5 確保鋼帶轎平

鋼帶原料頭尾要完全矯平， 并且頭尾均勻一致， 對頭焊臺兩側壓緊、 焊縫中間焊墊板上頂緊壓力調整適當， 保證焊縫背面墊實適度不過量。

5 結 論

（1） 優化焊材匹配、 減少焊縫中低熔點雜質的含量、 提高晶粒間的結合力能有效防止和減少焊接裂紋的產生。

（2） 優化焊接工藝和參數， 焊絲的前絲直徑用4.0 mm， 后絲直徑用4.8 mm， 采用前絲細后絲粗的雙絲焊工藝， 有利于焊縫形狀系數的控制； 焊劑用SJ101， 采用FCB 焊接法， 能有效預防焊縫裂紋的產生。

（3） 優化焊接規范和對接焊縫預留間隙， 降低焊縫的余高， 在對接焊縫經過夾送機遞送到成型器卷管的過程中， 減緩變形產生的應力， 能有效預防和減少裂紋的產生。

（4） 控制好原料頭尾的矯平度和焊劑層墊板的上頂壓力， 能有效的預防焊縫裂紋外力的產生；控制好剪刃間隙， 并保證剪切斷面光滑鋒利， 能有效預防焊縫未熔合的產生， 降低裂紋產生的傾向。

（5） 采用“Ⅰ” 形合縫對接并預留間隙不開坡口， 節約了對接焊時間， 提高了生產效率， 焊縫質量得到保證， 可滿足大批量規模生產的需要。