焊材和焊接過程控制對抑制裂紋形成的重要作用

劉 平 張毅印

（湖北特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院隨州分院，湖北 隨州 441300）

0 引言

焊接接頭（俗稱“焊縫”）是承壓類特種設(shè)備的重要組成部分，在一些重要設(shè)備中，焊縫的占比可能達(dá)到30%以上[1]。在焊縫的各種不同缺陷中，裂紋一直是生產(chǎn)單位不得不面對的棘手問題，在產(chǎn)品完工投用后，再發(fā)現(xiàn)裂紋，將給各大企業(yè)帶來重大損失。裂紋出現(xiàn)的時間存在不確定性，對于有些材料，存在“超級延遲”的裂紋現(xiàn)象[2]，如圖1 所示，為某壓力容器檢驗(yàn)人員定期檢驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)的裂紋，該裂紋被證明為焊接過程中產(chǎn)生的裂紋。由于當(dāng)發(fā)現(xiàn)裂紋時，設(shè)備正在使用，停產(chǎn)檢修會給使用單位帶來經(jīng)濟(jì)損失，此時可能被業(yè)主要求懲罰性的巨額賠償，給生產(chǎn)單位造成巨額損失同時也影響其聲譽(yù)。

圖1 某壓力容器環(huán)縫上的裂紋

探究橫向裂紋的形成原因，找到其解決方案，對于生產(chǎn)單位的經(jīng)濟(jì)效益和聲譽(yù)，以及使用單位的設(shè)備運(yùn)行安全都具有重要意義，本文作者通過檢驗(yàn)實(shí)踐，總結(jié)出橫向裂紋形成的幾個重要原因，并提出相應(yīng)的解決方案。

1 材料因素

究竟是什么原因造成“裂紋”的產(chǎn)生呢？國內(nèi)外許多學(xué)者做了大量調(diào)查研究，但是始終沒有最終的定論，也未提出徹底的解決方法。筆者在檢驗(yàn)實(shí)踐工作和融匯國內(nèi)外學(xué)者的研究成果時發(fā)現(xiàn)，橫向裂紋主要在埋弧焊和氣體保護(hù)焊（主要是CO2）這2 種焊接方法中產(chǎn)生，特別是CO2氣體藥芯保護(hù)焊[3]。裂紋的產(chǎn)生是由多種因素產(chǎn)生的，最為關(guān)鍵的三個是母材、焊材、焊接過程。

1.1 母材

含碳量高的高強(qiáng)度鋼較低碳鋼的容易產(chǎn)生橫向裂紋，TMCP 材料（熱軋狀態(tài)的材料）由于其獨(dú)特的生產(chǎn)工藝，造成它是一種較敏感性材料，再則母材中含有其他非金屬雜質(zhì)多的、厚度大的、帶有夾層的、表面有腐蝕生銹的等也容易產(chǎn)生橫向裂紋。

1.2 焊材

埋弧焊和藥芯焊兩者的共通點(diǎn)是都有藥粉（劑），它們在制造的過程中，各種配料所用的純度不足或本身帶雜質(zhì)，都會影響焊縫性能。如今焊材行業(yè)競爭激烈，為了保持利潤改用其他便宜的配方或者用純度不足的材料（偷工減料），這會降低焊接性能或者叫抗裂能力。如果有些焊材廠不注重每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，在生產(chǎn)的過程和庫存時就受潮，等到用戶使用時為時已晚了。

埋弧焊在焊接的過程中回收沒有熔化的藥粉時，會同時把其他雜質(zhì)一同吸收回料斗中，特別是卷管連續(xù)生產(chǎn)的螺旋焊縫，在機(jī)械強(qiáng)力卷管的同時大量的鋼板表面氧化物（氧化皮）脫落與其他沙塵粉末焊渣等混合在藥劑中再重新進(jìn)入焊道熔池中，造成污染，再遇上藥劑受潮、母材預(yù)熱和保溫不足時，也會產(chǎn)生橫向裂紋。不同品牌藥芯焊絲的質(zhì)量有參差不齊的情況，焊絲儲藏和使用方法不當(dāng)也是令焊縫產(chǎn)生橫向裂紋的源頭。首先，原廠生產(chǎn)時就分為2 種包裝：普通包裝和真空包裝。在室內(nèi)受控制的環(huán)境下用普通包裝，再按廠家要求短時間內(nèi)用完也沒事。如果普通包裝儲藏不當(dāng)、運(yùn)輸途中保護(hù)不足、中間經(jīng)銷商的處理不當(dāng)令焊絲受潮，又在沒任何防護(hù)措施的天然環(huán)境下使用焊絲，使焊絲進(jìn)一步受潮和其他污染，也是會造成橫向裂紋的。無論是普通包裝還是真空包裝，廠家都要求用戶在開封后24 h 內(nèi)使用，停止施焊過程中未將焊絲存放于干燥箱中。如果在戶外有雨、雪、露水和海風(fēng)的地方焊接，必須將焊絲用一個有防水性能的保護(hù)罩罩住來使用，開封后超過24 h 無論是否有保護(hù)罩或存放干燥箱都不得再使用。在工程實(shí)踐過程中，施工單位很少能做到這一點(diǎn)，例如在承壓設(shè)備現(xiàn)場安裝施焊時，無論在室內(nèi)室外都是沒有用保護(hù)罩的，任憑風(fēng)吹雨打，完全沒有時間觀念，也沒有室內(nèi)室外有所不同的觀念。即使在室內(nèi)，在春冬季節(jié)、陰冷潮濕的氣候下，室內(nèi)也是很潮濕的，我們是一卷15 kg 的焊絲可以連續(xù)超過24 h、48 h 甚至長年使用都行，這種嚴(yán)重的錯誤行為我們卻習(xí)以為常。

以下列舉了幾家國外知名的焊絲廠家對用戶提出的《藥芯焊絲儲藏和使用注意事項(xiàng)》。1）包裝的焊絲。每卷焊絲應(yīng)當(dāng)用聚乙烯薄膜覆蓋，并進(jìn)一步在瓦楞紙箱包裝，運(yùn)輸或貯存過程中保護(hù)。2）非開封瓦楞紙箱推薦的存儲條件。焊絲應(yīng)存放在倉庫無雨、雪或者露水等；它們不應(yīng)該直接放在地板上，但是可以放在木質(zhì)托盤上；它們應(yīng)該存放在一個濕度較低的地方。3）開封焊絲的存儲。這是沒有必要重新干燥它們的；如果再干燥，塑料芯盤可能受熱變形；在遭受到雨、雪、露和海風(fēng)等的地方焊接時，應(yīng)該用有防水功能的蓋罩住送絲機(jī)；它們應(yīng)該在濕度較低的地方使用；焊絲開封后應(yīng)在24 h 內(nèi)使用完畢，完工后如果有剩余焊絲留下，應(yīng)存放在干燥的條件下。在這種情況下，每根焊絲表面應(yīng)覆蓋聚乙稀膜或保護(hù)膜。

2 焊接過程

焊接過程是其中最主要的原因。焊接過程中的一整套工藝程序及其技術(shù)規(guī)定包括焊接方法、焊前準(zhǔn)備加工、裝配、焊接材料、焊接設(shè)備、焊接順序、焊接操作、焊接工藝參數(shù)以及焊后處理等。有以下13 個因素對橫向裂紋的產(chǎn)生具有重要影響。1）在焊接過程中從坡口預(yù)制、打磨、組對、坡口角度間隙、表面處理、工件預(yù)熱、保溫、焊后緩冷除氫等。2）是否嚴(yán)格按已經(jīng)做好的焊接工藝操作。3）焊工是否持相應(yīng)合資格。4）焊接環(huán)境是否有做到防風(fēng)、防雨、防雪、防露水、防潮氣并且做到透光透氣照明適當(dāng)?shù)陌踩煽康摹?）焊縫表面是否清除油污、水跡、鐵銹。6）是否過分使用碳弧氣刨，開坡口、清根、多次返修后沒有將其碳化物清除而進(jìn)行焊接，氣刨的壓縮空氣是否除水。7）焊機(jī)和焊槍的保養(yǎng)維護(hù)不當(dāng)，無法發(fā)揮應(yīng)有的焊接性能。8）在焊接過程中對焊絲沒有采取應(yīng)有保護(hù)和使用超過時限或者使用已經(jīng)受潮受污染的焊絲。9）埋弧焊的藥劑使用不同品牌的焊絲，藥劑沒有充分烘干，藥劑在回收過程將鋼板氧化物（氧化皮）、其他雜質(zhì)、焊渣和沙塵粉末等一并吸收，再次投入焊接時造成。10）工件組合的內(nèi)應(yīng)力過大，沒有控制焊接變形，所帶來的拘束應(yīng)力過大超出焊縫所能承受的拉應(yīng)力。11）NDT 檢驗(yàn)過高地要求而返修反造成更多的缺陷。12）厚度大焊道多的焊縫也是原因之一，焊縫中的雜質(zhì)堆積會產(chǎn)生累積效應(yīng)而產(chǎn)生橫向裂紋。13）焊縫的排列形狀和次序也會影響焊縫內(nèi)的拘束力（內(nèi)應(yīng)力）。

上述13 條是焊接過程中，對裂紋的形成具有重要影響的因素，此外還存在其他一些因素，在此不一一列舉。

3 結(jié)語

雖然橫向裂紋產(chǎn)生的原因是多方面的，但是筆者認(rèn)為主要原因在藥芯焊絲，母材方面的問題較少，對于承壓類特種設(shè)備來說，最常用的是低碳低合金鋼，焊接工藝也是成熟的和常用的，我們應(yīng)將主要精力放在藥芯焊絲的監(jiān)控方面。

通過檢驗(yàn)實(shí)踐，筆者總結(jié)了如下10 個“焊絲使用守則”的建議。1）盡可能都用真空包裝。2）用小容量5 kg 包裝（或者在高空、露天場地、狹窄環(huán)境等）。3）在露天場地用防水性能的蓋罩罩住焊絲進(jìn)行焊接。4）中途休息或超出1 h 不焊接時存放在干燥箱內(nèi)。5）開封后超出24 h 不得再使用。6）拆封時如果見到生銹和變色不得使用。7）使用途中焊絲雨水淋濕或其他污染不得再用。8）同一批號焊絲出現(xiàn)橫向裂紋時停止使用，直到查出原因?yàn)橹埂?）如果有可能我們可以像派駐鋼板廠驗(yàn)收鋼板材料一樣，全程監(jiān)控焊絲的生產(chǎn)、庫存、運(yùn)輸?shù)冗^程。10）采取退貨索賠和選擇質(zhì)量信譽(yù)好的焊材廠。

目前，外國品牌進(jìn)入國內(nèi)生產(chǎn)，國內(nèi)也有些廠家能夠生產(chǎn)藥芯焊絲了，但是有些國內(nèi)的焊材廠被國外知名焊材公司收購后，雖然掛外國品牌用國產(chǎn)機(jī)器、國內(nèi)人管理和生產(chǎn)。一些材料理論知識欠缺的生產(chǎn)者有時以為藥芯焊絲是密封的，對潮濕的生產(chǎn)環(huán)境不加以控制，其實(shí)它是由薄鋼板卷入藥粉的，無論它卷成管狀是多么嚴(yán)密，它一樣會吸入潮氣，就像我們做滲透無損檢測原理的毛細(xì)管滲入，中心干燥藥粉是很容易將潮氣吸入，造成剛出廠的焊條就已受潮。

根據(jù)焊接的相關(guān)知識我們知道，低氫焊條如果受潮就會引起延遲裂紋，這是在用焊條的年代大家早已形成的共識?？墒乾F(xiàn)在我們很多人都不知道藥芯焊絲比電焊條更為要求嚴(yán)厲，特別是有些焊接大師傅盲目地認(rèn)為藥芯是萬能焊絲，只看到它的效率，沒有看到它最危險的一面。我認(rèn)為藥芯焊絲比焊條更要嚴(yán)格管理，現(xiàn)在所有參與建造的人都要知道，藥芯如果像焊條那樣防止受潮，需要共同監(jiān)管藥芯焊絲。利用管理電焊條方法用來控制藥芯焊絲，我相信裂紋馬上會大大減少。

以下是筆者總結(jié)的保證焊接質(zhì)量的5 個控制環(huán)節(jié)。1）安全舒適的焊接工作環(huán)境。2）適用的焊接工藝規(guī)程及標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)。3）高質(zhì)量的焊接材料。4）高性能和穩(wěn)定性的焊接設(shè)備。5）優(yōu)秀焊工的操作技能和經(jīng)驗(yàn)。

做好5 個控制焊縫質(zhì)量的環(huán)節(jié)，我們不僅控制好裂紋，還可以得到高質(zhì)量的焊縫質(zhì)量，為企業(yè)避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失，同時，也能保障人民的生命財產(chǎn)安全。