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

(上海核工程研究設計院股份有限公司,上海 200233)

0 前言

按照JGJ 81—2002《建筑鋼結構焊接技術規程》,鋼板厚度30 mm≤t≤80 mm屬于較難焊接的,厚鋼板焊接時,往往會出現熱裂紋(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],全球金屬結構焊接工程總量的90%以上都是用弧焊工藝方法來完成的[6]。由于焊接熔深大、生產效率高、機械化程度高,因而特別適用于中厚板長焊縫的焊接[5]。

核島屏蔽廠房屏蔽墻鋼結構外穹頂呈臺錐形結構,作用為支撐屏蔽廠房屋面和PCCS非能動冷卻系統屋頂水箱,主要由環向梁、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。該文主要針對某核電機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生的缺陷進行研究,從人、機、料、法、環五個方面開展根本原因分析,并結合討論后的模擬驗證,找出此次主梁拼裝焊接過程的不足,為后續穹頂的焊接工作提供一定的指導借鑒,也為中厚板的埋弧焊接提供工藝指導。

1 簡介

錐形屋頂主要連接方式為焊接和高強度螺栓連接。車間預制焊接形式包括角焊縫(節點處)、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,鋼梁長度為20 154 mm,采用K形坡口全熔透焊接,熔化極氣體保護焊(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)填充蓋面方式進行焊接,如圖1所示。

圖1 單根主梁圖、工字梁及K形坡口

車間制作主要工序為:腹板、翼板開坡口—腹板、翼板自身拼接檢測合格后組對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—檢測合格后組對筋板、筋板焊接—筋板焊后根據情況進行部分旁彎校正(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見表1和表2。

表1 GMAW+SAW焊接工藝參數

表2 FCAW+SAW焊接工藝參數

2 主梁焊接分析

針對主梁上下翼緣拼接主焊縫過程中產生的缺陷,文中首先采用無損檢測和金相試驗對焊縫缺陷進行研究,確定缺陷的性質及焊縫內是否存在其他缺陷。同時,結合整個焊接過程始終,從人、機、料、法、環五個方面進行分析,找出產生缺陷的根本原因并運用模擬件開展了試驗驗證。

2.1 焊縫缺陷的研究

2.1.1無損檢驗

對有缺陷焊縫表面進行磁粉檢測,發現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度方向;根據挖鑿測得數據,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,再次磁粉檢測無顯示。磁痕顯示沿焊縫熔合線呈線性狀態,且無鋸齒狀及分叉等細節特征,磁粉檢測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,為進一步驗證缺陷性質,現場對磁粉檢測出的部分線性缺陷進行了滲透檢測?，F場選取了一段磁粉檢測有線性顯示的部位進行滲透檢測,發現此部位未呈現線性顯示,之后對此部位進行輕微打磨,打磨后再次進行滲透檢測,又呈現出線性顯示,且與磁粉檢測線性缺陷顯示基本一致。此驗證結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

以100 mm為間距,在船樣上等間距截取3個截面,即1號至3號截面(圖2),用于微觀觀察和金相分析。采用的掃查成像系統為徠卡公司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)。

圖2 穹頂支架焊縫船樣切割后的照片

3個截面的掃查成像照片如圖3a、圖3d、圖3g所示?？梢钥闯?除焊趾處缺陷區域外,焊縫組織內未見裂紋、未熔合、未焊滿等缺陷。3個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,除了焊趾處缺陷區域外,焊縫內未見裂紋、未熔合、未焊滿等缺陷。3個截面的母材組織均為鐵素體和珠光體,焊縫組織均為細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個截面的焊趾處均發現裂紋,裂紋由焊趾處起裂,并拓展至熱影響區。

圖3 試驗結果

從現場驗證情況,并結合船樣分析結果,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規定考試合格并取得合格證書。所有焊工均在其考試合格項目認可范圍內施焊,但是,主梁屬于特有的大厚板T形坡口全熔透埋弧焊,現有的焊工均屬于首次焊接,操作經驗不足,焊接過程中不適當的操作可能成為焊縫缺陷產生的風險點。

2.2.2設備

主梁采用GMAW,FCAW,SAW 3種焊接方式,氣保焊機型號為YD-500CL、懸臂雙絲埋弧焊機型號為MZG—5000,焊機均每半年進行校驗一次,在有效期內。其他設備、機具都狀態完好,經過計量檢定合格,并處在有效期內。

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《低合金高強度結構鋼》低碳低合金高強度結構鋼,含碳量不大于0.24%,碳當量不大于0.47(板厚30～63 mm),具有較好的焊接性。實際鋼材的熔煉分析含碳量為0.16%～0.17%,經測算碳當量為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、斷面收縮率等試驗結果都能滿足采購技術規格書要求。

焊材涉及10個批號,焊材擴散氫含量不大于5 mL/100 g,屬于超低氫型焊材。生產廠家為昆山京群焊材科技有限公司,經復驗驗收合格后使用,埋弧焊焊接用焊劑在使用前進行了烘干,烘干溫度350 ℃,烘干時間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,按照焊接工藝規程(WPS)要求對于焊縫及周圍進行預熱處(火焰加熱),達到預熱溫度后,開始焊接。同時,對埋弧焊焊接前端及已完成的焊縫繼續進行加熱,以防止溫度降低。焊接完成后,對整條焊縫覆蓋保溫棉緩冷。整個焊接過程中,采用紅外測溫槍對預熱溫度、層間溫度及緩冷前的溫度進行多次多點位監測等措施。但對于錐形屋面大厚板、20 m長的主梁焊縫,此種方式加熱的效果存在加熱速度慢、不均勻等風險。

整個焊接過程中,埋弧焊焊縫焊接時焊接電流、電弧電壓、焊接速度均在工藝參數范圍內。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°,埋弧焊時采用船形焊。相比傳統平焊位置鋼板坡口對接埋弧焊而言,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調整焊槍角度和左右偏差,操作不當時,蓋面焊道易造成坡口邊緣局部未熔合的問題。

主梁焊后無損檢測前,根據H型鋼結構尺寸的變形量,采用火焰矯正、機械矯正等方法進行矯正,火焰矯正溫度控制在600℃以下,機械矯正采用YJ-100 H型鋼翼緣液壓矯正機(以下簡稱“型鋼矯正機”)、千斤頂等進行矯正。主梁腹板與翼緣板焊縫焊接完成后進行第一次矯正:采用型鋼矯正機矯正主梁翼緣平整度;當型鋼矯正機矯正效果不滿足要求時,采用千斤頂加火焰加熱進一步矯正。主梁焊縫在第一次矯正后進行100%VT+20%UT無損檢測,無損檢測合格后進行筋板焊接,焊接完成后對主梁進行第二次矯正,矯正調整尺寸偏差。主梁在車間拼裝成單元后,局部會再次進行矯正。經調查獲悉,主梁焊接變形較大時,千斤頂機械矯正時液壓頂升力大。

2.2.5環境

車間內懸掛經計量標定合格的溫濕度計,每次焊接作業時,均對溫濕度進行了檢查,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、加熱緩慢等風險。

2.3 驗證

根據以上原因分析,焊工、焊接工藝、預熱和緩冷措施、焊后的矯正均有可能造成焊縫缺陷的產生,為此,文中采用同材質同規格的碳鋼板模擬主梁焊接,進行一系列驗證和改進。主梁模擬試驗內容見表3。

表3 主梁模擬試驗內容

結合原因分析及工藝驗證,針對此次主梁模擬焊接過程,可以得出:①改變試驗參數,結果均產生了缺陷,且超聲波檢測顯示缺陷為未熔合,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,可能為收弧端未設置熄弧板,清根后焊接施工過程中進行至焊縫尾端時,焊接工藝參數波動導致出現該缺陷。②在該次試驗中,鋼梁模擬件焊接的設備控制、母材及焊材控制、工藝措施控制、施工環境控制均按照要求執行,排除相關因素后,可以得出坡口角度過小、火焰加熱溫度不均勻均可導致未熔合缺陷的產生。③焊工對大厚板全熔透長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,造成部分焊縫出現線性缺陷。

3 結論

(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,模擬考核合格后方可參與正式產品焊接。

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

(3)增加電磁感應設備、陶瓷電阻加熱器等電加熱設備,確保焊前預熱和層間溫度控制;收弧端設置熄弧板,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,對翼緣與腹板焊縫再次進行100%磁粉檢測和100%超聲波檢測,排除外力引起的焊縫缺陷。