淺析核電模塊制造中的線性磁痕顯示

王 偉 邢飛龍 李守彬

山東核電設(shè)備制造有限公司 山東 海陽 265118

0 引言

第三代壓水堆核電AP1000在設(shè)計(jì)上采用了大量的模塊化施工技術(shù)。 模塊材質(zhì)主要以碳鋼為主，其制造連接全部采用焊接成型，技術(shù)要求對(duì)此類焊縫表面均采用磁粉檢測(cè)。

磁粉檢測(cè)是鐵磁性材料工件被磁化后，在不連續(xù)性處或磁路截面變化處產(chǎn)生漏磁場，利用漏磁場吸附磁粉形成磁痕顯示，是檢測(cè)鐵磁性材料表明和近表面缺陷的的可靠方法。在核電模塊制造中主要驗(yàn)收依據(jù)為：AWS D1.1和ASME Ⅲ卷，要求焊縫不允許任何條狀缺陷， 主要包括危害性極大的裂紋、未融合、未焊透、條形夾渣等。正確的對(duì)線性磁痕特征進(jìn)行分析，從而判斷條形缺陷的類型將對(duì)焊縫的焊接質(zhì)量提供保障。

1 線性磁痕特征性分析

1.1 裂紋

在焊接過程中由于工藝、材料、焊材和焊縫內(nèi)部冷卻速度快慢不同；母材金屬含碳量或硫、磷含量過高時(shí)；以及焊接材料中合金元素、硫磷含量高等諸因素引起焊接接頭中局部區(qū)域的金屬原子結(jié)合力遭到破壞，形成新的界面而產(chǎn)生的縫隙稱為焊接裂紋。按裂紋的產(chǎn)生溫度分為焊接熱裂紋和焊接冷裂紋。

1）熱裂紋

焊接過程中熱裂紋發(fā)生于焊縫金屬凝固末期，其敏感溫度區(qū)在固相線附件（1100～1300°C），因此露出工件表面的熱裂紋斷裂具有氧化膜。在核電模塊制造焊接中，引起熱裂紋的主要原因有：（1）焊接金屬冷凝到固相線溫度范圍內(nèi)，冷卻收縮過大；（2）焊材中的有害物質(zhì)焊接冷卻時(shí)聚集在晶界，使得在焊縫區(qū)域的強(qiáng)度和塑性降低，在晶界處產(chǎn)生裂紋并沿晶界擴(kuò)展；（3）模塊結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在一些小范圍內(nèi)存在多條焊縫，致使焊接過程應(yīng)力集中收縮變形大冷卻速度不當(dāng)?shù)取?/p>

熱裂紋一般產(chǎn)生于應(yīng)力集中部位，其長度大小不一，多出現(xiàn)在表面或近表面。 核電模塊焊縫磁粉檢測(cè)中主要磁痕特征：①磁痕清晰而不濃密（熱裂紋淺而細(xì)?。?， 在焊縫表面磁痕常呈現(xiàn)不規(guī)程網(wǎng)狀或星輻射狀見圖1所示； ②熱裂紋磁痕兩端呈現(xiàn)尖角不規(guī)則形狀見圖2，熱裂紋磁痕常呈現(xiàn)非連續(xù)性；③改變磁化方向或電流大小磁痕變化較明顯；④熱裂紋一般情況下深度較淺，稍加打磨就可去除。

圖1 網(wǎng)狀熱裂紋磁痕

圖2 縱向熱裂紋磁痕

2）冷裂紋

冷裂紋一般在焊后冷卻至100～300°或更低溫度下過產(chǎn)生，焊縫金相組織向馬氏體轉(zhuǎn)變。 冷裂紋可能焊后立即出現(xiàn)，也可能幾小時(shí)或幾天甚至更長的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)，這類冷裂紋又稱為延遲裂紋，具有很大的危險(xiǎn)性。 延遲裂紋多發(fā)生在熱影響區(qū)，少數(shù)發(fā)生在焊縫上。 核電模塊制造中常用SA517 GR.B和A572 GR.50等低合金高強(qiáng)度鋼常出現(xiàn)延遲裂紋見圖3所示，檢測(cè)時(shí)機(jī)安排在焊后48小時(shí)。此類鋼材產(chǎn)生焊接冷裂紋主要原因：（1） 由于通過加入提高淬透性合金元素，提高強(qiáng)度和塑性。 由于淬透性的增加，連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程中，冷裂傾向變大，在焊縫中存在淬硬組織；（2） 焊接過程中未嚴(yán)格按工藝要求進(jìn)行焊接（如焊接濕度、溫度、焊材烘干等條件不符合工藝）， 使焊縫中有較高的氫含量或較大的殘余應(yīng)力，最常見的就是延遲裂紋；（3）焊接熱處理工藝要求不當(dāng)，焊前加熱和焊后保溫等。

圖3 SA517 GR.B延遲裂紋磁痕

冷裂紋一般發(fā)生在應(yīng)力集中部位，其走向是穿晶延展，少數(shù)是延晶擴(kuò)展，容易引起脆斷，危害極大。冷裂紋斷口無氧化膜，斷口顏色呈現(xiàn)亮色，在焊縫上多數(shù)是縱向且產(chǎn)生的裂紋深而粗大。所呈現(xiàn)的主要磁痕特征為： ①由于冷裂紋一般是穿晶斷裂，磁痕形狀顯示較規(guī)則，趨于直線狀；②由于焊縫冷裂傾向大，所產(chǎn)生的冷裂縫深度較深，磁痕濃密清晰；③磁痕始端和末端皆是呈現(xiàn)尖角，且磁痕一般是連續(xù)。

1.2 未熔合

未熔合是指焊縫與母材金屬，或焊縫金屬層間未熔化結(jié)合在一起。按其在焊縫所在部位分為坡口未熔合、層間未熔合、根部未熔合。在核電模塊制造焊接中大多焊縫為全熔透焊，容易忽略焊縫端口的檢測(cè)，在此主要討論焊縫端口未熔合。 焊縫端口部位由于是起弧和收弧部位，焊接參數(shù)變化大，容易產(chǎn)生坡口和層間未熔合。坡口未熔合焊縫金屬與母材金屬未熔合一起，其磁痕特征表現(xiàn)為磁痕清晰濃密沿坡口常呈現(xiàn)連續(xù)直線狀。層間未熔合是由于上下焊道金屬未熔合一起，磁痕清晰多數(shù)呈兩端尖角的“月牙”型見圖4。

圖4 焊縫端口層間未熔合磁痕

1.3 未焊透

未焊透是由于焊接過程中電流過小，速度過快，坡口角度小以及鈍邊太厚間隙小等造成。 在模塊制造中的單V型坡口背部清根的焊縫中常出現(xiàn)，屬于近表面缺陷，容易與非相關(guān)顯示混淆。磁粉檢測(cè)中磁痕松散，較寬，輪廓不清晰見圖5；檢測(cè)中不容易判斷， 一般需要對(duì)焊縫表面稍磨后再檢測(cè)判定。

圖5 未焊透磁痕

1.4 條形夾渣

夾渣是指焊縫焊接過程中熔池內(nèi)固體物質(zhì)（金屬或非金屬）未來得急浮出而殘留在焊接金屬內(nèi)的焊渣形成的缺陷。夾渣分為點(diǎn)狀、塊狀和條狀?yuàn)A渣，模塊焊縫中常呈現(xiàn)表面開口缺陷， 磁痕濃密清晰；而在近表面的磁痕寬度較大，磁痕松散。

2 結(jié)論

核電模塊制造不允許存在線性缺陷，根據(jù)各類線性缺陷磁痕所產(chǎn)生的部位、磁痕形狀，磁痕密度等來區(qū)分各類缺陷是可行的。從而結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)檢測(cè)正確的分析各類線性缺陷產(chǎn)生的原因。有助于焊接工藝和焊縫返修工藝的改進(jìn)，減少生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率。

［1］張文鉞.焊接冶金學(xué)（基本原理）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［2］趙熹華.焊接檢驗(yàn)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［3］宋志哲.磁粉檢測(cè)［M］.北京：中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2007.