屏蔽廠房屋頂錐形屋面主梁埋弧焊焊縫缺陷淺析

薛覃 呂鑫磊

摘要： 主要研究某核電機(jī)組屏蔽廠房屋頂錐形屋面徑向主梁埋弧焊拼接過程中產(chǎn)生的缺陷，從人、機(jī)、料、法、環(huán)等方面開展根本原因分析，并結(jié)合模擬試驗(yàn)，找出缺陷產(chǎn)生的原因，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，為后續(xù)錐形屋面的拼裝和焊接提供指導(dǎo)意見。

關(guān)鍵詞： 錐形屋面； 主梁； 埋弧焊

中圖分類號(hào)： TG 445

Analysis of submerged arc weld defects of main beam of conical roof of shielded plant

Xue Qin， Lü Xinlei

（Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute， Shanghai 200233）

Abstract： Defects in the process of submerged arc welding and splicing of the radial main girder of conical roof of a nuclear power unit shielded workshop were mainly studied. Root causes from aspects of man， machine， material， method and ring were analyzed. And combined with simulation test， causes of the defects were found out， and the corresponding improvement measures were put forward to provide guidance for the subsequent assembly and welding of conical roof.

Key words： conical roof; main beam; submerged arc welding

0 前言

按照J(rèn)GJ 81—2002《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》，鋼板厚度30 mm≤t≤80 mm屬于較難焊接的，厚鋼板焊接時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)熱裂紋（主要是凝固裂紋）[1]、冷裂紋（包括延遲裂紋）[2-4]。并且隨著鋼板厚度的增加，裂紋趨向也隨之增加。埋弧焊是一種高效焊接方法[5]，全球金屬結(jié)構(gòu)焊接工程總量的90％以上都是用弧焊工藝方法來完成的[6]。由于焊接熔深大、生產(chǎn)效率高、機(jī)械化程度高，因而特別適用于中厚板長(zhǎng)焊縫的焊接[5]。

核島屏蔽廠房屏蔽墻鋼結(jié)構(gòu)外穹頂呈臺(tái)錐形結(jié)構(gòu)，作用為支撐屏蔽廠房屋面和PCCS非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)屋頂水箱，主要由環(huán)向梁、徑向主梁和鋼面板組成。徑向主梁由60 mm/42 mm厚的H型鋼焊接拼裝而成，是屬于較難焊接的厚鋼板。該文主要針對(duì)某核電機(jī)組屏蔽廠房屋頂錐形屋面徑向主梁上下翼緣埋弧焊拼接過程中產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行研究，從人、機(jī)、料、法、環(huán)五個(gè)方面開展根本原因分析，并結(jié)合討論后的模擬驗(yàn)證，找出此次主梁拼裝焊接過程的不足，為后續(xù)穹頂?shù)暮附庸ぷ魈峁┮欢ǖ闹笇?dǎo)借鑒，也為中厚板的埋弧焊接提供工藝指導(dǎo)。

1 簡(jiǎn)介

錐形屋頂主要連接方式為焊接和高強(qiáng)度螺栓連接。車間預(yù)制焊接形式包括角焊縫（節(jié)點(diǎn)處）、單邊V形全熔透、帶墊板全熔透焊、K形全熔透焊、穿孔塞焊、螺柱焊。目前，焊接缺陷主要在徑向主梁拼裝過程中產(chǎn)生，熔合線處可觀察到條形缺陷。

徑向主梁為H型焊接型鋼，由Q355B-Z35 60 mm翼緣板及42 mm腹板組裝而成，鋼梁長(zhǎng)度為20 154 mm，采用K形坡口全熔透焊接，熔化極氣體保護(hù)焊（Gas metal arc welding， GMAW）打底，2021年3月后改為藥芯焊絲電弧焊（Flux-cored arc welding， FCAW）打底、埋弧焊（Submerged arc welding， SAW）填充蓋面方式進(jìn)行焊接，如圖1所示。車間制作主要工序?yàn)椋焊拱濉⒁戆彘_坡口—腹板、翼板自身拼接檢測(cè)合格后組對(duì)H型鋼—H型鋼焊接（焊接過程多次翻身）—H型鋼校正（校正）—H型鋼主焊縫無損檢測(cè)—檢測(cè)合格后組對(duì)筋板、筋板焊接—筋板焊后根據(jù)情況進(jìn)行部分旁彎校正（校正）—單元拼裝—單元焊接。主梁腹板與翼緣板焊縫焊接工藝參數(shù)見表1和表2。

2 主梁焊接分析

針對(duì)主梁上下翼緣拼接主焊縫過程中產(chǎn)生的缺陷，文中首先采用無損檢測(cè)和金相試驗(yàn)對(duì)焊縫缺陷進(jìn)行研究，確定缺陷的性質(zhì)及焊縫內(nèi)是否存在其他缺陷。同時(shí)，結(jié)合整個(gè)焊接過程始終，從人、機(jī)、料、法、環(huán)五個(gè)方面進(jìn)行分析，找出產(chǎn)生缺陷的根本原因并運(yùn)用模擬件開展了試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.1 焊縫缺陷的研究

2.1.1 無損檢驗(yàn)

對(duì)有缺陷焊縫表面進(jìn)行磁粉檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)線性顯示主要分布在熔合線上，腹板和翼緣板上均有，線性顯示沿焊縫熔合線長(zhǎng)度方向；根據(jù)挖鑿測(cè)得數(shù)據(jù)，深度最大為6 mm左右；大部分有線性顯示的焊縫表面打磨1 mm左右即消失，再次磁粉檢測(cè)無顯示。磁痕顯示沿焊縫熔合線呈線性狀態(tài)，且無鋸齒狀及分叉等細(xì)節(jié)特征，磁粉檢測(cè)顯示不具有裂紋的典型特征。

鑒于裂紋缺陷具有表面開口特征，為進(jìn)一步驗(yàn)證缺陷性質(zhì)，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)磁粉檢測(cè)出的部分線性缺陷進(jìn)行了滲透檢測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)選取了一段磁粉檢測(cè)有線性顯示的部位進(jìn)行滲透檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)此部位未呈現(xiàn)線性顯示，之后對(duì)此部位進(jìn)行輕微打磨，打磨后再次進(jìn)行滲透檢測(cè)，又呈現(xiàn)出線性顯示，且與磁粉檢測(cè)線性缺陷顯示基本一致。此驗(yàn)證結(jié)果說明焊縫表面未完全開口，不符合裂紋特征，符合未熔合的缺陷特征。2.1.2 金相試驗(yàn)

以100 mm為間距，在船樣上等間距截取3個(gè)截面，即1號(hào)至3號(hào)截面（圖2），用于微觀觀察和金相分析。采用的掃查成像系統(tǒng)為徠卡公司DVAM6 型三維超景深掃查成像顯微鏡（5979655），金相顯微鏡為徠卡公司DMI 3000M型金相顯微鏡（390636）。

3個(gè)截面的掃查成像照片如圖3a、圖3d、圖3g所示?？梢钥闯?，除焊趾處缺陷區(qū)域外，焊縫組織內(nèi)未見裂紋、未熔合、未焊滿等缺陷。3個(gè)截面的金相分析照片如圖3b、圖3c、圖3e、圖3f、圖3h、圖3i所示。在金相顯微鏡下，除了焊趾處缺陷區(qū)域外，焊縫內(nèi)未見裂紋、未熔合、未焊滿等缺陷。3個(gè)截面的母材組織均為鐵素體和珠光體，焊縫組織均為細(xì)化的鐵素體和珠光體及少量魏氏組織，焊縫和母材的金相組織均正常。3個(gè)截面的焊趾處均發(fā)現(xiàn)裂紋，裂紋由焊趾處起裂，并拓展至熱影響區(qū)。

從現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證情況，并結(jié)合船樣分析結(jié)果，可以看出：缺陷主要是近表面線性顯示，線性磁痕顯示和熔合線重合，未打磨前缺陷具有未熔合特征、打磨挖鑿后具有裂紋特征。因此，文中初步分析判定為：埋弧焊蓋面焊道邊緣局部存在未熔合缺陷，未熔合缺陷在矯正拉力作用下從熔合線往熱影響區(qū)開裂。

2.2 根本原因分析2.2.1 焊工

焊工/焊接操作工均按照HAF603，AWS D1.1/D1.1M規(guī)定考試合格并取得合格證書。所有焊工均在其考試合格項(xiàng)目認(rèn)可范圍內(nèi)施焊，但是，主梁屬于特有的大厚板T形坡口全熔透埋弧焊，現(xiàn)有的焊工均屬于首次焊接，操作經(jīng)驗(yàn)不足，焊接過程中不適當(dāng)?shù)牟僮骺赡艹蔀楹缚p缺陷產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。2.2.2 設(shè)備

主梁采用GMAW，F(xiàn)CAW，SAW 3種焊接方式，氣保焊機(jī)型號(hào)為YD-500CL、懸臂雙絲埋弧焊機(jī)型號(hào)為MZG—5000，焊機(jī)均每半年進(jìn)行校驗(yàn)一次，在有效期內(nèi)。其他設(shè)備、機(jī)具都狀態(tài)完好，經(jīng)過計(jì)量檢定合格，并處在有效期內(nèi)。2.2.3 材料

錐形屋面鋼梁所用鋼材為43 mm和60 mm厚Q355B Z35鋼，Q355B鋼屬于GB/T 1591—2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》低碳低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，含碳量不大于0.24%，碳當(dāng)量不大于0.47（板厚30～63 mm），具有較好的焊接性。實(shí)際鋼材的熔煉分析含碳量為0.16%～0.17%，經(jīng)測(cè)算碳當(dāng)量為0.41%～0.43%，母材焊接性較好，淬硬傾向不大，焊接冷裂紋敏感性不高。鋼板拉伸、彎曲、沖擊、斷面收縮率等試驗(yàn)結(jié)果都能滿足采購技術(shù)規(guī)格書要求。

焊材涉及10個(gè)批號(hào)，焊材擴(kuò)散氫含量不大于5 mL/100 g，屬于超低氫型焊材。生產(chǎn)廠家為昆山京群焊材科技有限公司，經(jīng)復(fù)驗(yàn)驗(yàn)收合格后使用，埋弧焊焊接用焊劑在使用前進(jìn)行了烘干，烘干溫度350 ℃，烘干時(shí)間2 h，滿足要求。2.2.4 焊接工藝

錐形屋面主梁焊接主要采用GMAW，SAW組合或FCAW，SAW組合這2種焊接方式。開始焊接前，按照焊接工藝規(guī)程（WPS）要求對(duì)于焊縫及周圍進(jìn)行預(yù)熱處（火焰加熱），達(dá)到預(yù)熱溫度后，開始焊接。同時(shí)，對(duì)埋弧焊焊接前端及已完成的焊縫繼續(xù)進(jìn)行加熱，以防止溫度降低。焊接完成后，對(duì)整條焊縫覆蓋保溫棉緩冷。整個(gè)焊接過程中，采用紅外測(cè)溫槍對(duì)預(yù)熱溫度、層間溫度及緩冷前的溫度進(jìn)行多次多點(diǎn)位監(jiān)測(cè)等措施。但對(duì)于錐形屋面大厚板、20 m長(zhǎng)的主梁焊縫，此種方式加熱的效果存在加熱速度慢、不均勻等風(fēng)險(xiǎn)。

整個(gè)焊接過程中，埋弧焊焊縫焊接時(shí)焊接電流、電弧電壓、焊接速度均在工藝參數(shù)范圍內(nèi)。該主梁為T形接頭全熔透坡口焊，厚度為42 mm腹板開K形坡口，坡口角度40°～45°，埋弧焊時(shí)采用船形焊。相比傳統(tǒng)平焊位置鋼板坡口對(duì)接埋弧焊而言，T形接頭坡口角度偏小，焊接過程中熔池不易鋪展開來。因此，T形接頭全熔透坡口埋弧焊焊槍角度和左右偏差操作精確度要求較高，焊工在焊接過程中需通過觀察焊槍前端指針及焊縫成形情況及時(shí)調(diào)整焊槍角度和左右偏差，操作不當(dāng)時(shí)，蓋面焊道易造成坡口邊緣局部未熔合的問題。

主梁焊后無損檢測(cè)前，根據(jù)H型鋼結(jié)構(gòu)尺寸的變形量，采用火焰矯正、機(jī)械矯正等方法進(jìn)行矯正，火焰矯正溫度控制在600℃以下，機(jī)械矯正采用YJ-100 H型鋼翼緣液壓矯正機(jī)（以下簡(jiǎn)稱“型鋼矯正機(jī)”）、千斤頂?shù)冗M(jìn)行矯正。主梁腹板與翼緣板焊縫焊接完成后進(jìn)行第一次矯正：采用型鋼矯正機(jī)矯正主梁翼緣平整度；當(dāng)型鋼矯正機(jī)矯正效果不滿足要求時(shí)，采用千斤頂加火焰加熱進(jìn)一步矯正。主梁焊縫在第一次矯正后進(jìn)行100%VT+20%UT無損檢測(cè)，無損檢測(cè)合格后進(jìn)行筋板焊接，焊接完成后對(duì)主梁進(jìn)行第二次矯正，矯正調(diào)整尺寸偏差。主梁在車間拼裝成單元后，局部會(huì)再次進(jìn)行矯正。經(jīng)調(diào)查獲悉，主梁焊接變形較大時(shí)，千斤頂機(jī)械矯正時(shí)液壓頂升力大。2.2.5 環(huán)境

車間內(nèi)懸掛經(jīng)計(jì)量標(biāo)定合格的溫濕度計(jì)，每次焊接作業(yè)時(shí)，均對(duì)溫濕度進(jìn)行了檢查，滿足焊接要求。但是主梁施焊處于冬季施工，受天氣影響存在焊后冷卻不均勻、急速冷卻、加熱緩慢等風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 驗(yàn)證

根據(jù)以上原因分析，焊工、焊接工藝、預(yù)熱和緩冷措施、焊后的矯正均有可能造成焊縫缺陷的產(chǎn)生，為此，文中采用同材質(zhì)同規(guī)格的碳鋼板模擬主梁焊接，進(jìn)行一系列驗(yàn)證和改進(jìn)。主梁模擬試驗(yàn)內(nèi)容見表3。

結(jié)合原因分析及工藝驗(yàn)證，針對(duì)此次主梁模擬焊接過程，可以得出：①改變?cè)囼?yàn)參數(shù)，結(jié)果均產(chǎn)生了缺陷，且超聲波檢測(cè)顯示缺陷為未熔合，其位置在焊縫收弧端。缺陷深度正處在打底后清根厚度范圍內(nèi)，可能為收弧端未設(shè)置熄弧板，清根后焊接施工過程中進(jìn)行至焊縫尾端時(shí)，焊接工藝參數(shù)波動(dòng)導(dǎo)致出現(xiàn)該缺陷。②在該次試驗(yàn)中，鋼梁模擬件焊接的設(shè)備控制、母材及焊材控制、工藝措施控制、施工環(huán)境控制均按照要求執(zhí)行，排除相關(guān)因素后，可以得出坡口角度過小、火焰加熱溫度不均勻均可導(dǎo)致未熔合缺陷的產(chǎn)生。③焊工對(duì)大厚板全熔透長(zhǎng)焊縫的焊接不夠熟練，焊接過程中采用氣保焊加埋弧焊的焊接方法，其焊縫是由多位焊工分時(shí)分段組合焊接完成，焊工技能水平參差不齊，造成部分焊縫出現(xiàn)線性缺陷。

3 結(jié)論

（1）提高焊工的操作技能。所有參與錐形屋面主梁焊接的焊工，必須參加埋弧焊焊接培訓(xùn)，模擬考核合格后方可參與正式產(chǎn)品焊接。

（2）升版焊接工藝文件，優(yōu)化T形全熔透坡口角度，控制焊接順序，減少焊接變形；優(yōu)化埋弧焊焊接設(shè)備，安裝紅外線跟蹤指示器，確保焊工在焊接過程中能隨時(shí)觀察并調(diào)整焊槍角度。

（3）增加電磁感應(yīng)設(shè)備、陶瓷電阻加熱器等電加熱設(shè)備，確保焊前預(yù)熱和層間溫度控制；收弧端設(shè)置熄弧板，防止收弧處熔池金屬流失或者留下弧坑缺陷。

（4）主梁最終矯正后，對(duì)翼緣與腹板焊縫再次進(jìn)行100%磁粉檢測(cè)和100%超聲波檢測(cè)，排除外力引起的焊縫缺陷。

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