直缝埋弧焊管横向裂纹探伤分析
阅读次数[] 发布时间:2014-3-29 10:37:19
摘要：简要介绍了水柱式（射流）超声波探伤的工作方式及原理。分别采用手动超声波探伤、X射线拍片、荧光磁粉检查及金相分析等方法，对X65级准660 mm×12.7 mm直缝埋弧焊管生产过程中发现的焊缝横向裂纹进行了分析及识别。分析了横向裂纹的形成机理，并通过控制焊缝中S和P等有害杂质元素的含量，优化焊接工艺，做好焊接前原料（如板边坡口）的除锈等，改善焊接环境等措施，可有效防止和消除焊缝横向裂纹的产生，保证焊管焊缝质量。
1水柱式（射流）超声波探伤简介
在直缝埋弧焊钢管生产检验过程中，存在于焊缝中危害最大的缺陷是裂纹等线性缺陷。为保证钢管焊缝的内在质量，必须要准确地检测到焊缝的裂纹缺陷，并有效控制裂纹的产生。渤海装备巨龙钢管有限公司生产直缝埋弧焊钢管时，要对全焊缝进行100%在线超声波探伤，探伤时采用水柱式（射流）耦合。水柱式（射流）超声波探伤是在探头和钢管之间通过射流水柱进行耦合，水柱高度一般在5～10 mm之间。调整探头纵波的入射角（一般控制在18°～22°之间），使探头发出的纵波声束通过水钢界面入射到钢管焊缝中，再通过波形转换实现对钢管焊缝的探伤。
水柱式（射流）超声波探伤工作方式及原理如图1所示。
为了检测直缝埋弧焊钢管焊缝或热影响区的横向缺陷，在实际工作中采用2个横向探头骑在焊缝上进行扫查。探头发出的纵波声束通过水钢界面，使钢中横波探头折射角βs=45°，从而实现对焊缝中横向缺陷的纯横波探伤。
2 超声波自动探伤时发现的问题对
X65级准660 mm×12.7 mm直缝埋弧焊管焊缝进行超声波自动探伤时，连探横向探头报警，连探图形显示横向缺陷，如图2所示。此类缺陷有以下特点：①缺陷在扩径、水压前的1#超声波自动探伤检测过程中被发现，表明该缺陷在焊接后就已存在；②在检测焊缝内表面时，横向探头发现该缺陷，缺陷波形独立并超出报警极限；③受此类缺陷自身深度或角度以及透照方向的影响，X射线拍片有时能发现，但拍出的底片影像模糊，失去缺陷的基本特征。
为了准确判别这类缺陷的性质和成因，分别采用超声波探伤、X射线拍片、金相组织分析等方法进行了研究。
3无损探伤验证
3.1超声波手动探伤
对在线超声波自动横向探头报警处进行手动超声波复查，采用便携式超声波手探仪CTS-22，配2.5P8×12K1斜探头进行横波探伤，发现钢管焊缝内表面及近表面处存在横向缺陷。缺陷波形分析如下：
（1） 缺陷当量。反射回波为准1.6 mm—100%+（6~12 dB），按照API SPEC 5L标准为超标缺陷。缺陷回波高度高、波幅宽，在缺陷两侧均可探到。焊缝内表面及内近表面处存在的横向缺陷，在示波屏上第1和第3次都有独立回波出现，尖而独立，如图3所示。
（2）缺陷波根宽度。波根宽度约3 mm，转动探头角度，缺陷回波高度有变化，说明缺陷有图2在线自动探伤显示的横向缺陷波形一定的角度或方向。
（3）该报警处缺陷位于焊缝表面或余高内，缺陷呈横向，大部分在焊缝边缘向中心方向延展，且在焊缝边缘焊趾处横向2～4 mm，长度较小。
3.2 X射线拍片采用XY225-7.1/2.8 X射线拍片系统对超声波探伤确定的缺陷部位进行X射线拍片，通过多次调整X射线束倾斜透照，透照时射线束方向与该缺陷深度方向平行，发现底片上缺陷形貌如图4所示。
该缺陷细节特征：轮廓分明的黑线，线有微小锯齿，有分叉，粗细黑度有变化；该缺陷产生于焊缝边界而延伸于焊缝热影响区，有一定走向垂直于焊缝边界。
3.3荧光磁粉检查
对超声波手动探伤不合格焊缝部位进行荧光磁粉检查，发现焊缝外表面可见清晰的磁痕显示，长度约2～4mm，磁痕浓密清晰可见，呈直线状且垂直于焊缝方向，判定为焊缝表面横向裂纹缺陷。
根据上述检验结果，对判定不合格的焊缝部位处取样进行金相分析，裂纹微观形貌如图5所示。
图5（a）为裂纹的整体形貌，裂纹从焊缝表面向内部延伸形成开裂，中间的黑色孔洞中仍有小块黄色物质残留，疑为未完全脱落的Cu。图5（b）为焊缝内缺陷微观形貌，该缺陷呈闭合条状，缺陷右下方为残留的黄色物质，在光学显微镜下清晰可见。这些残留物质一方面可能为制样过程中摩擦导致的不完全脱落，此时以夹杂物的形态存在；另一方面也可能该物质已经与周围介质脱离，存在空隙形成开裂，取样加工过程中杂质自行脱落。
在对试样进一步扫查时发现在焊缝表面以下的浅层位置中存在大量呈曲线分布的黄色物质以夹杂物形态存在于焊缝金属中，夹杂物边缘在光学显微镜下为黑色，已经形成开裂，如图6所示。
将试样进行电镜扫描分析后确认，焊缝中的黄色物质为Cu的大量聚集，该处w（Cu）达到79.7%，另有11.8%的Zn存在，造成裂纹出现的原因应为焊缝中混入了黄铜合金。
4成因分析
4.1裂纹机理
从裂纹形态看，结合以往经验，裂纹属于典型结晶裂纹，其产生有两个必要条件：①冶金因素，焊接过程中（熔池阶段或焊缝红热状态下）有低熔点杂质进入；②应力作用。
焊接应力在焊接过程中是不可避免的，因此，要控制热裂纹，主要应控制低熔点杂质的进入及成分偏析。造成结晶裂纹的低熔点物质主要有Cu，Zn，S和P等。从分析结果来看，Cu及铜合金是造成横向裂纹最主要的低熔点物质。这些Cu及铜合金可能来自钢板自身的Cu偏聚和外部的Cu污染。
针对钢板自身Cu聚集的可能情况，巨龙钢管公司已经与钢厂进行了深入的交流。从冶金角度分析，钢板成分中Cu含量很低，基本不会出现Cu在焊材中大量聚集的情况。如果Cu来自钢板内部的成分偏析，应该在熔合线位置有残留的Cu。另外Cu的体积质量大于钢，在熔池中难以浮出，凝固后在熔池的中下部位置应该有夹杂物形态的Cu。从取样分析结果来看，裂纹只存在于熔池表面和表面以下很浅的位置，因此，基本排除钢板自身Cu偏聚的可能性。
外部的Cu污染有两种可能：钢板吊运过程中表面接触Cu和焊接过程中有Cu进入。而钢板在吊装过程中并没有与Cu接触的环节，因此就排除了钢板吊运过程中表面接触Cu的可能。
针对这种横向裂纹，长期以来已经采取了诸多措施防止焊接过程的Cu污染。为杜绝Cu源，生产线上使用不镀Cu焊丝，更换新焊剂。根据检验报告，Cu和Zn在缺陷处聚集，这两种元素是铜合金的主要成分，因此怀疑焊缝中Cu的聚集可能为外部进入溶池的铜合金所致。焊接岗位的导电杆材质为铜合金，在送丝过程中套在焊丝外的白管有时会被磨穿，如不及时更换，焊丝会继续磨损导电杆内壁，从而使导电杆内壁磨掉的Cu屑脱落混入焊剂，在焊接过程中接触焊缝表面，形成裂纹。
4.2 Cu源进入焊缝的途径
埋弧焊过程中焊缝形成及Cu裂产生示意如图7所示。在焊接过程中，外部Cu源（焊丝镀Cu、导电嘴、导电杆Cu磨损）从导电嘴内孔洒落在焊剂上，随焊剂循环使用混入其中，并有机会接触液态熔池及高温焊缝表面，渗入熔池或焊缝表面产生裂纹。
之前的分析认为，Cu进入焊接熔池与液态金属混合在一起未能浮出熔池形成偏聚和开裂，因此，在工艺调整中以增加熔池作用力为主，希望通过加强熔池的搅拌作用使Cu完全浮出熔池，避免在焊缝中的凝固聚集。
钢厂在连铸工艺中出现过由于Cu板磨损导致Cu掉落在板坯表面形成开裂的现象，同样，弯管厂也出现过类似的情况。据此推断，当钢的表面温度高于Cu熔点时，Cu可能以液态形式通过渗透作用进入钢基体，在晶界处快速扩散凝固后形成渗透裂纹。
图8为焊缝表面Cu的聚集形态。图8（a）中Cu完全聚集于焊缝表面，界线分明，不符合熔池中杂质浮出时经常带有的凹凸状界面，说明Cu接触焊缝表面时焊缝已凝固（属于图7中A-B段）；图8（b）中Cu不但在焊缝表面聚集，在表面以下也有分散存在，且Cu与焊缝的分界面凹凸不平（可能在图7中A-D段发生）。
5横向裂纹控制措施
5.1冶金方面
5.1.1控制Cu源
针对Cu的来源，采取的控制措施为将内外焊岗位送丝机构中的白管更换为弹簧管，利用弹簧管的耐磨性保护导电杆内壁不受磨损；使用端头为耐磨合金的国产导电嘴，减少导电嘴磨损；全面清理内外焊机头和送丝机构；及时更换新焊剂，保证焊材和设备的清洁。
根据Cu进入焊缝的形成机理来分析，焊接线能量和焊接时间的增加使熔池和溶渣尺寸变长，焊缝表面温度升高，增加了焊缝、溶渣的冷却时间，从而为Cu的渗入提供了时间，有利于Cu进入到焊缝内部。另外，焊丝丝距过大同样使熔池长度增加。针对以上分析，可以在保证焊接质量的前提下适当调整焊接工艺，即适当降低焊接电流，提高焊速，减小丝距。
5.1.2控制焊缝中有害杂质的含量
从理论分析可知，S，P和C等为有害杂质，S和P等元素不仅能形成低熔点共晶物，而且还能促使偏析，是产生热裂纹的主要因素之一。因此，应提高焊剂碱度，有效控制S，P和C等有害杂质，防止或降低裂纹的产生倾向。
5.2工艺控制
裂纹产生需要两个条件，即低熔点物质的存在和应力作用。横向裂纹的产生和扩展受纵向拉伸应力的影响，通过改变工艺改善焊接时的应力状态，也可以防止横向裂纹的产生。适当增加焊接线能量，减小焊缝金属应变率，同样可以降低裂纹倾向。但由于一定壁厚的钢管焊接参数相对固定，调整工艺必须在保证焊缝性能及宏观形貌的前提下进行。同时增加线能量即增加了铜渗入焊缝的机率，以往的统计结果表明，增大线能量有增多裂纹产生的趋势，不建议采用。工艺调整应首先保证焊缝溶透深度，在此基础上向减小线能量方向调整。
5.3 做好焊前准备工作
焊接前要做好钢板和坡口处的除锈，将焊剂加热到规定温度，并按规定时间进行烘干和保温。焊接过程中要注意焊接环境的清理。6结语对直缝埋弧焊钢管生产过程中产生的焊缝裂纹（铜裂）进行探伤、金相分析和识别，并在冶金和工艺方面采取了适当的控制措施，有效防止和消除了焊缝横向裂纹的产生，保证了钢管产品的焊缝质量。
上一篇：浅谈焊缝超声波中未熔合的识别
下一篇：射线照相中一种未熔合的表现形态
