異種鋼Q235B/304L焊接過渡區疑似缺陷的無損檢測

陳志強，張洪波，陳 柳

(1.河北大學 質量技術監督學院,保定071005; 2.中國地質大學 計算機學院，武漢 430074)

目視檢查是焊接質量檢驗的重要手段,但對于缺陷類別和分布還須借助其他無損檢測手段才能夠更加準確地進行判斷并給出結論。

某型船舶泵塔區域采用厚度為25 mm的304L不銹鋼板材嵌入厚度為20 mm的Q235B低碳鋼板材的拼接結構。根據焊接工藝規范，為防止焊縫出現裂紋，主要采用單面焊接雙面成型方法，單面V型坡口角度為40°50°，反面以陶瓷為焊接襯墊，填充金屬為直徑為1.2 mm、牌號為E307T1-1的焊絲，對異種鋼(不銹鋼和碳鋼)板材對接節點及其十字接頭位置焊接延伸過渡到碳鋼板拼接節點150 mm范圍內的焊縫，均采用藥芯焊絲二氧化碳氣體保護焊(FCAW-CO2)進行焊接[1]。

根據檢驗檢測計劃，關鍵區域要求焊后所有對接焊縫區域及熱影響區進行100%目視檢查加上100%X射線檢測，以及內外焊縫表面加上熱影響區覆蓋100%著色滲透檢測。為了確保焊縫內部和表面的焊接質量，滿足相關的檢驗標準規定的驗收等級要求，確保焊接工藝紀律、質量過程控制能夠有效執行；避免潛在的裂紋、未熔合等嚴重缺陷，使得貨艙系統存在高風險或者大量返修，導致不必要的人力物力財力浪費及工期拖延。因此，對不銹鋼/碳鋼合攏過渡區進行了嚴格限制，多層多道焊的焊接層間溫度不得高于150 ℃，異種鋼過渡到完全碳鋼區域長度一般為100～150 mm，十字接頭區或者T型過渡區采用梯形焊，預留間隔距離為500 mm。泵塔區材料、基本結構俯視圖和焊接順序如圖1所示。圖中紅線實線框內區域材料為不銹板;紅色線代表不銹鋼和碳鋼板焊縫節點區；紅色實線框外全部為碳鋼鋼板。

圖1 泵塔區不銹鋼和碳鋼的焊縫布置和焊接順序示意

1 問題提出

按照檢驗檢測計劃，對泵塔區所有規定焊縫及相關區域分別按照標準JIS Z3104-1995 《鋼焊縫射線探傷方法的要求及評述》 和JIS Z2343-1992 《滲透檢驗方法和缺陷顯示的分類》 進行100%射線檢測和100%著色滲透檢測并已驗收合格。

在對4個泵塔區域焊縫進行巡檢過程中，目視檢查發現合攏區的不銹鋼焊縫過渡到碳鋼220～245 mm區域(超出檢測計劃范圍)焊縫表面位置發現兩處橫向缺陷，缺陷顯示及疑似區域材料分布如圖2所示。復審射線底片影像，并沒有發現任何橫向缺陷，著色滲透檢測報告也沒有記錄不合格缺陷和返修結果。

經過仔細對比分析，按照檢測規定和焊接延伸要求，射線底片最多覆蓋過渡區延伸焊縫長度為150 mm，所以此區域不在檢測范圍內。為此，筆者對現場出現的問題進行了現場試驗。

圖2 焊縫表面橫向缺陷和疑似區域材料分布

2 試驗方案和儀器

2.1 試驗方案

由于兩處橫向缺陷均出現在過渡區的焊縫表面，為此首先采用著色滲透法檢測焊縫是否有開口不連續缺陷及不連續缺陷的分布和走向；然后采用超聲波檢測確認疑似的缺陷是否存在于焊縫內部，再確認其相關分布；最后通過宏觀剖傷結合著色滲透檢測，確認逐層不連續是否存在，再確認其分布與形態，同時用便攜式X射線熒光金屬分析儀測量焊縫金屬的含量，以便分析可能存在的組織和出現裂紋的原因。

2.2 試驗儀器

2.2.1 著色滲透檢測器材

YP-ST著色滲透劑,YD-ST顯像劑,YR-ST清洗劑,SBS-3型靈敏度試片,鋼板尺和輔助物品。

2.2.2 超聲波檢測儀器及附件

型號為MDF-800C的A型超聲波探傷儀：橫波探頭2.5P10×10A70，以及相關試塊和耦合劑等。

2.2.3 宏觀檢驗用器具

砂輪機，不銹鋼砂輪片，砂紙，放大鏡，數碼相機，XRF(X射線熒光光譜分析)金屬分析儀等。

3 試驗結果

3.1 著色滲透檢測結果

對兩處焊縫表面及兩側25 mm范圍內進行打磨和清洗后，按照著色滲透檢測程序和靈敏度試片校驗同步進行檢測，橫向缺陷區著色滲透檢測結果如圖3所示[3]。圖3(a)中除了焊縫兩側焊趾區有不太明顯的1 mm長線性缺陷外，焊縫表面并沒有任何橫向線性不連續缺陷；圖3(b)處焊縫表面呈現21 mm長表面開口橫向裂紋；圖3(c)為SBS-3靈敏度試片對比試驗結果。

圖4 A型脈沖反射式超聲波橫波法掃查相關區及波形動態圖

圖3 橫向缺陷區著色滲透檢測結果

3.2 超聲波檢測結果

采用2.5P10×10A70的橫波探頭在焊縫兩側與焊縫軸線成10°左右進行橫向不連續掃查，發現在70°掃查焊縫1橫截面近表面到最深處14.2 mm有多處游動脈沖反射信號[4],而焊縫2最深處顯示埋深為6.4 mm。焊縫1典型最深處超聲波脈沖反射信號和反射信號包絡圖如圖4所示。

3.3 宏觀檢驗結果

根據超聲波檢測數據顯示的定位數據，采用砂輪漸進打磨去除焊縫余高后，進行著色滲透檢測，進一步確認裂紋數量和分布及走向[5]，檢測結果如圖5所示。不同深度出現的裂紋數量、尺寸和分布如表1所示。同時仔細觀察焊縫表面成型和打磨后進行宏觀觀察，發現其焊接順序并不符合焊接工藝要求，原本應該按照焊接工藝規范采用φ1.2 mm 的E307T1-1藥芯焊絲填充和蓋面焊縫梯形,過渡到碳鋼焊縫，而實際焊接中卻是采用焊絲直徑為φ5 mm的BHM-1/SJ101自動焊接進行填充和蓋面,過渡到了不銹鋼焊縫，使用PMI(材料金屬成分識別-光譜分析法)對層間和表面焊縫的Cr、Ni、Mo和Mn元素的含量進行測量，測得其平均值分別為12.4%，7.85%，0.74%和0.85%。圖2(a)和圖3(b)中的輪廓和截面顯示。

表1 焊縫打磨深度及其對應的裂紋數量和分布

圖5 焊縫2相關區焊縫打磨去除后不同深度著色滲透檢測結果

沒有發現任何表面裂紋缺陷。

4 檢測結果分析

4.1 無損檢測結果分析

從兩處焊縫橫向缺陷區著色滲透檢測的結果可以看出，只有焊縫2表面有明顯缺陷，說明此處橫向缺陷為開口型不連續，而焊縫1檢測結果卻無法判斷其顯示是否為真實不連續，只能說明焊縫表面沒有開口型不連續。

通過超聲波橫向掃查發現焊縫焊縫1內部存在多個分布于不同深度的橫向回波顯示,而焊縫2內部僅有一處橫向回波顯示。由于受到近場區的影響，焊縫1無法確認是否延伸到焊縫表面，但彌補了著色滲透檢測的不足，對焊縫1處用超聲波檢測說明焊縫內部也是有橫向不連續存在的，為進一步宏觀檢驗和分析提供了依據。

4.2 宏觀剖傷分析

宏觀剖傷分析結合著色滲透檢測，確認了橫向缺陷區焊縫內部不連續缺陷的形貌、分布、走向、尺寸和數量，表1和圖5為不連續的定性提供了充足的證據。根據形貌完全可以斷定兩處橫向焊縫均存在橫向裂紋缺陷。

在宏觀顯示中，橫向裂紋的數量是從焊縫加強高表面以下開始逐漸遞增，而且越靠近不銹鋼焊縫填充層和碳鋼焊縫填充層的熔合面，其數量越多，裂紋的長度越長，但最長的在緊鄰表面異種鋼接頭過渡區收弧位置，長度分別為32 mm和21 mm，著色滲透檢測驗證了焊縫1表面的最大橫向裂紋，并未延伸擴展到焊縫表面成為開口裂紋，而焊縫2處最大橫向裂紋已經擴展到表面形成開口裂紋。橫向裂紋主要分布在碳鋼對接焊縫自動焊接過渡到異相鋼搭接終止的填充和蓋面焊縫區域，長度小于60 mm。裂紋走向由表面到內部，其寬度由寬變窄到狹細，從焊縫1著色檢測結果來看，裂紋可能是起源于焊縫內部。

焊接記錄顯示，所有存在問題的焊縫均已焊接完工后第6天和第25天，根據焊后48 h著色滲透檢測原始記錄、外觀檢驗記錄和現場檢驗及見證人員口錄，并沒有發現任何的表面裂紋缺陷或者顯示。而兩處所呈現的裂紋一個在焊縫余高下分布，一個開口到焊縫余高并橫過焊縫表面，可以推論形成的裂紋是延遲型裂紋和經歷不同時間擴展的結果。

4.3 橫向裂紋形成的初步分析

根據PMI(材料金屬成分識別-光譜分析法)測量焊縫內部和表面成分的差異，根據舍夫勒組織圖，其鉻當量和鎳當量分別為13.74%和10.68%[2]。

由于錯誤地采用埋弧自動焊接工藝，電流及波動范圍大，導致了大熔深及熔合比，而低碳鋼成分的填充金屬和母材金屬的熔化填充勢必造成對先焊接的異種鋼焊縫在熔合區的急劇稀釋作用，焊縫組織完全在馬氏體轉變區域，其組織為硬脆相，導致冷裂紋風險的增加。

在過渡層中，由于埋弧自動焊保溫時間過長和層間溫度過高，也會導致馬氏體組織脆性增加和填充層塑性顯著減低而形成塑性帶區，同時蓋面焊道對填充焊道的后熱，會使得異種鋼焊縫區和填充母材間脫碳層寬度增大，在碳鋼區域形成軟化的脫碳層，在異種鋼區形成硬度較高的增碳層間產生組織應力。

同時，由于異種鋼區和碳鋼填充焊縫的熱膨脹系數差異顯著，而這種局部區域的焊接加熱和后熱，會造成焊接后在熔合區產生較大的殘余應力和熱應力，而這種殘余應力并沒有在后熱中消除或者減弱，只會重新分布和釋放，導致裂紋在脆硬組織區產生和擴展。從而驗證了圖5和圖3(a)中宏觀裂紋的分布和趨勢相吻合。

5 結語

(1) 通過綜合無損檢測方法相互驗證，彌補了目視檢測和著色滲透檢測的不足，避免了主觀認識而導致焊縫中潛在危害性裂紋缺陷的誤判和漏檢。

(2) 宏觀剖傷分析能夠有效地評估和驗證焊縫表面顯現的疑似橫向缺陷和超聲波檢測結果的真偽以及不連續的分布、數量、走向、尺寸、形貌和性質。

(3) 通過PMI數據結合舍夫勒組織圖，對評估橫向裂紋出現的原因給出了重要判據，即沒有嚴格遵守焊接工藝規范要求導致組織相變發生變化，產生過大的殘余應力導致界面處脆性組織斷裂及應力釋放擴展，使得裂紋源由內部逐步擴展到表面成為宏觀橫向裂紋，是裂紋產生的主要機理。