異種鋼Q235B/304L焊接過(guò)渡區(qū)疑似缺陷的無(wú)損檢測(cè)

陳志強(qiáng)，張洪波，陳 柳

(1.河北大學(xué) 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院,保定071005; 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，武漢 430074)

目視檢查是焊接質(zhì)量檢驗(yàn)的重要手段,但對(duì)于缺陷類(lèi)別和分布還須借助其他無(wú)損檢測(cè)手段才能夠更加準(zhǔn)確地進(jìn)行判斷并給出結(jié)論。

某型船舶泵塔區(qū)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(jié)構(gòu)。根據(jù)焊接工藝規(guī)范，為防止焊縫出現(xiàn)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(hào)為E307T1-1的焊絲，對(duì)異種鋼(不銹鋼和碳鋼)板材對(duì)接節(jié)點(diǎn)及其十字接頭位置焊接延伸過(guò)渡到碳鋼板拼接節(jié)點(diǎn)150 mm范圍內(nèi)的焊縫，均采用藥芯焊絲二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊(FCAW-CO2)進(jìn)行焊接[1]。

根據(jù)檢驗(yàn)檢測(cè)計(jì)劃，關(guān)鍵區(qū)域要求焊后所有對(duì)接焊縫區(qū)域及熱影響區(qū)進(jìn)行100%目視檢查加上100%X射線檢測(cè)，以及內(nèi)外焊縫表面加上熱影響區(qū)覆蓋100%著色滲透檢測(cè)。為了確保焊縫內(nèi)部和表面的焊接質(zhì)量，滿足相關(guān)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的驗(yàn)收等級(jí)要求，確保焊接工藝紀(jì)律、質(zhì)量過(guò)程控制能夠有效執(zhí)行；避免潛在的裂紋、未熔合等嚴(yán)重缺陷，使得貨艙系統(tǒng)存在高風(fēng)險(xiǎn)或者大量返修，導(dǎo)致不必要的人力物力財(cái)力浪費(fèi)及工期拖延。因此，對(duì)不銹鋼/碳鋼合攏過(guò)渡區(qū)進(jìn)行了嚴(yán)格限制，多層多道焊的焊接層間溫度不得高于150 ℃，異種鋼過(guò)渡到完全碳鋼區(qū)域長(zhǎng)度一般為100～150 mm，十字接頭區(qū)或者T型過(guò)渡區(qū)采用梯形焊，預(yù)留間隔距離為500 mm。泵塔區(qū)材料、基本結(jié)構(gòu)俯視圖和焊接順序如圖1所示。圖中紅線實(shí)線框內(nèi)區(qū)域材料為不銹板;紅色線代表不銹鋼和碳鋼板焊縫節(jié)點(diǎn)區(qū)；紅色實(shí)線框外全部為碳鋼鋼板。

圖1 泵塔區(qū)不銹鋼和碳鋼的焊縫布置和焊接順序示意

1 問(wèn)題提出

按照檢驗(yàn)檢測(cè)計(jì)劃，對(duì)泵塔區(qū)所有規(guī)定焊縫及相關(guān)區(qū)域分別按照標(biāo)準(zhǔn)JIS Z3104-1995 《鋼焊縫射線探傷方法的要求及評(píng)述》 和JIS Z2343-1992 《滲透檢驗(yàn)方法和缺陷顯示的分類(lèi)》 進(jìn)行100%射線檢測(cè)和100%著色滲透檢測(cè)并已驗(yàn)收合格。

在對(duì)4個(gè)泵塔區(qū)域焊縫進(jìn)行巡檢過(guò)程中，目視檢查發(fā)現(xiàn)合攏區(qū)的不銹鋼焊縫過(guò)渡到碳鋼220～245 mm區(qū)域(超出檢測(cè)計(jì)劃范圍)焊縫表面位置發(fā)現(xiàn)兩處橫向缺陷，缺陷顯示及疑似區(qū)域材料分布如圖2所示。復(fù)審射線底片影像，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何橫向缺陷，著色滲透檢測(cè)報(bào)告也沒(méi)有記錄不合格缺陷和返修結(jié)果。

經(jīng)過(guò)仔細(xì)對(duì)比分析，按照檢測(cè)規(guī)定和焊接延伸要求，射線底片最多覆蓋過(guò)渡區(qū)延伸焊縫長(zhǎng)度為150 mm，所以此區(qū)域不在檢測(cè)范圍內(nèi)。為此，筆者對(duì)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

圖2 焊縫表面橫向缺陷和疑似區(qū)域材料分布

2 試驗(yàn)方案和儀器

2.1 試驗(yàn)方案

由于兩處橫向缺陷均出現(xiàn)在過(guò)渡區(qū)的焊縫表面，為此首先采用著色滲透法檢測(cè)焊縫是否有開(kāi)口不連續(xù)缺陷及不連續(xù)缺陷的分布和走向；然后采用超聲波檢測(cè)確認(rèn)疑似的缺陷是否存在于焊縫內(nèi)部，再確認(rèn)其相關(guān)分布；最后通過(guò)宏觀剖傷結(jié)合著色滲透檢測(cè)，確認(rèn)逐層不連續(xù)是否存在，再確認(rèn)其分布與形態(tài)，同時(shí)用便攜式X射線熒光金屬分析儀測(cè)量焊縫金屬的含量，以便分析可能存在的組織和出現(xiàn)裂紋的原因。

2.2 試驗(yàn)儀器

2.2.1 著色滲透檢測(cè)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(cè)儀器及附件

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

2.2.3 宏觀檢驗(yàn)用器具

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

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 著色滲透檢測(cè)結(jié)果

對(duì)兩處焊縫表面及兩側(cè)25 mm范圍內(nèi)進(jìn)行打磨和清洗后，按照著色滲透檢測(cè)程序和靈敏度試片校驗(yàn)同步進(jìn)行檢測(cè)，橫向缺陷區(qū)著色滲透檢測(cè)結(jié)果如圖3所示[3]。圖3(a)中除了焊縫兩側(cè)焊趾區(qū)有不太明顯的1 mm長(zhǎng)線性缺陷外，焊縫表面并沒(méi)有任何橫向線性不連續(xù)缺陷；圖3(b)處焊縫表面呈現(xiàn)21 mm長(zhǎng)表面開(kāi)口橫向裂紋；圖3(c)為SBS-3靈敏度試片對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 A型脈沖反射式超聲波橫波法掃查相關(guān)區(qū)及波形動(dòng)態(tài)圖

圖3 橫向缺陷區(qū)著色滲透檢測(cè)結(jié)果

3.2 超聲波檢測(cè)結(jié)果

采用2.5P10×10A70的橫波探頭在焊縫兩側(cè)與焊縫軸線成10°左右進(jìn)行橫向不連續(xù)掃查，發(fā)現(xiàn)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(dòng)脈沖反射信號(hào)[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(hào)和反射信號(hào)包絡(luò)圖如圖4所示。

3.3 宏觀檢驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示的定位數(shù)據(jù)，采用砂輪漸進(jìn)打磨去除焊縫余高后，進(jìn)行著色滲透檢測(cè)，進(jìn)一步確認(rèn)裂紋數(shù)量和分布及走向[5]，檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。不同深度出現(xiàn)的裂紋數(shù)量、尺寸和分布如表1所示。同時(shí)仔細(xì)觀察焊縫表面成型和打磨后進(jìn)行宏觀觀察，發(fā)現(xiàn)其焊接順序并不符合焊接工藝要求，原本應(yīng)該按照焊接工藝規(guī)范采用φ1.2 mm 的E307T1-1藥芯焊絲填充和蓋面焊縫梯形,過(guò)渡到碳鋼焊縫，而實(shí)際焊接中卻是采用焊絲直徑為φ5 mm的BHM-1/SJ101自動(dòng)焊接進(jìn)行填充和蓋面,過(guò)渡到了不銹鋼焊縫，使用PMI(材料金屬成分識(shí)別-光譜分析法)對(duì)層間和表面焊縫的Cr、Ni、Mo和Mn元素的含量進(jìn)行測(cè)量，測(cè)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(duì)應(yīng)的裂紋數(shù)量和分布

圖5 焊縫2相關(guān)區(qū)焊縫打磨去除后不同深度著色滲透檢測(cè)結(jié)果

沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何表面裂紋缺陷。

4 檢測(cè)結(jié)果分析

4.1 無(wú)損檢測(cè)結(jié)果分析

從兩處焊縫橫向缺陷區(qū)著色滲透檢測(cè)的結(jié)果可以看出，只有焊縫2表面有明顯缺陷，說(shuō)明此處橫向缺陷為開(kāi)口型不連續(xù)，而焊縫1檢測(cè)結(jié)果卻無(wú)法判斷其顯示是否為真實(shí)不連續(xù)，只能說(shuō)明焊縫表面沒(méi)有開(kāi)口型不連續(xù)。

通過(guò)超聲波橫向掃查發(fā)現(xiàn)焊縫焊縫1內(nèi)部存在多個(gè)分布于不同深度的橫向回波顯示,而焊縫2內(nèi)部?jī)H有一處橫向回波顯示。由于受到近場(chǎng)區(qū)的影響，焊縫1無(wú)法確認(rèn)是否延伸到焊縫表面，但彌補(bǔ)了著色滲透檢測(cè)的不足，對(duì)焊縫1處用超聲波檢測(cè)說(shuō)明焊縫內(nèi)部也是有橫向不連續(xù)存在的，為進(jìn)一步宏觀檢驗(yàn)和分析提供了依據(jù)。

4.2 宏觀剖傷分析

宏觀剖傷分析結(jié)合著色滲透檢測(cè)，確認(rèn)了橫向缺陷區(qū)焊縫內(nèi)部不連續(xù)缺陷的形貌、分布、走向、尺寸和數(shù)量，表1和圖5為不連續(xù)的定性提供了充足的證據(jù)。根據(jù)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(shù)量是從焊縫加強(qiáng)高表面以下開(kāi)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(shù)量越多，裂紋的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，但最長(zhǎng)的在緊鄰表面異種鋼接頭過(guò)渡區(qū)收弧位置，長(zhǎng)度分別為32 mm和21 mm，著色滲透檢測(cè)驗(yàn)證了焊縫1表面的最大橫向裂紋，并未延伸擴(kuò)展到焊縫表面成為開(kāi)口裂紋，而焊縫2處最大橫向裂紋已經(jīng)擴(kuò)展到表面形成開(kāi)口裂紋。橫向裂紋主要分布在碳鋼對(duì)接焊縫自動(dòng)焊接過(guò)渡到異相鋼搭接終止的填充和蓋面焊縫區(qū)域，長(zhǎng)度小于60 mm。裂紋走向由表面到內(nèi)部，其寬度由寬變窄到狹細(xì)，從焊縫1著色檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，裂紋可能是起源于焊縫內(nèi)部。

焊接記錄顯示，所有存在問(wèn)題的焊縫均已焊接完工后第6天和第25天，根據(jù)焊后48 h著色滲透檢測(cè)原始記錄、外觀檢驗(yàn)記錄和現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)及見(jiàn)證人員口錄，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何的表面裂紋缺陷或者顯示。而兩處所呈現(xiàn)的裂紋一個(gè)在焊縫余高下分布，一個(gè)開(kāi)口到焊縫余高并橫過(guò)焊縫表面，可以推論形成的裂紋是延遲型裂紋和經(jīng)歷不同時(shí)間擴(kuò)展的結(jié)果。

4.3 橫向裂紋形成的初步分析

根據(jù)PMI(材料金屬成分識(shí)別-光譜分析法)測(cè)量焊縫內(nèi)部和表面成分的差異，根據(jù)舍夫勒組織圖，其鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量分別為13.74%和10.68%[2]。

由于錯(cuò)誤地采用埋弧自動(dòng)焊接工藝，電流及波動(dòng)范圍大，導(dǎo)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(shì)必造成對(duì)先焊接的異種鋼焊縫在熔合區(qū)的急劇稀釋作用，焊縫組織完全在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域，其組織為硬脆相，導(dǎo)致冷裂紋風(fēng)險(xiǎn)的增加。

在過(guò)渡層中，由于埋弧自動(dòng)焊保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和層間溫度過(guò)高，也會(huì)導(dǎo)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(qū)，同時(shí)蓋面焊道對(duì)填充焊道的后熱，會(huì)使得異種鋼焊縫區(qū)和填充母材間脫碳層寬度增大，在碳鋼區(qū)域形成軟化的脫碳層，在異種鋼區(qū)形成硬度較高的增碳層間產(chǎn)生組織應(yīng)力。

同時(shí)，由于異種鋼區(qū)和碳鋼填充焊縫的熱膨脹系數(shù)差異顯著，而這種局部區(qū)域的焊接加熱和后熱，會(huì)造成焊接后在熔合區(qū)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力，而這種殘余應(yīng)力并沒(méi)有在后熱中消除或者減弱，只會(huì)重新分布和釋放，導(dǎo)致裂紋在脆硬組織區(qū)產(chǎn)生和擴(kuò)展。從而驗(yàn)證了圖5和圖3(a)中宏觀裂紋的分布和趨勢(shì)相吻合。

5 結(jié)語(yǔ)

(1) 通過(guò)綜合無(wú)損檢測(cè)方法相互驗(yàn)證，彌補(bǔ)了目視檢測(cè)和著色滲透檢測(cè)的不足，避免了主觀認(rèn)識(shí)而導(dǎo)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(píng)估和驗(yàn)證焊縫表面顯現(xiàn)的疑似橫向缺陷和超聲波檢測(cè)結(jié)果的真?zhèn)我约安贿B續(xù)的分布、數(shù)量、走向、尺寸、形貌和性質(zhì)。

(3) 通過(guò)PMI數(shù)據(jù)結(jié)合舍夫勒組織圖，對(duì)評(píng)估橫向裂紋出現(xiàn)的原因給出了重要判據(jù)，即沒(méi)有嚴(yán)格遵守焊接工藝規(guī)范要求導(dǎo)致組織相變發(fā)生變化，產(chǎn)生過(guò)大的殘余應(yīng)力導(dǎo)致界面處脆性組織斷裂及應(yīng)力釋放擴(kuò)展，使得裂紋源由內(nèi)部逐步擴(kuò)展到表面成為宏觀橫向裂紋，是裂紋產(chǎn)生的主要機(jī)理。