淺談低碳不銹鋼管道焊接缺陷產(chǎn)生的原因及措施

 低碳不銹鋼管的應(yīng)用廣泛，其焊接過程的質(zhì)量控制十分重要，因為焊接的質(zhì)量與工程質(zhì)量息息相關(guān)，且焊接過程復(fù)雜，需要注意的細(xì)節(jié)較多，所以在不銹鋼管焊接時焊接缺陷要特別關(guān)注。浙江至德鋼業(yè)有限公司從低碳不銹鋼管的焊接性能出發(fā)，論述焊接缺陷的含義、分類與影響因素，分析低碳不銹鋼管道焊接產(chǎn)生缺陷的幾種情況與原因，最后提出一些可行性的應(yīng)對措施，提升焊縫的質(zhì)量，加強管道使用的安全性與可靠性。在管道的安裝工程中，焊接工序及其關(guān)鍵。焊接一旦出現(xiàn)問題，無法保障工程質(zhì)量及進(jìn)度，管道的運行也無法保證穩(wěn)定性、可靠性。基于此，管道技術(shù)人員必須具備一定的專業(yè)知識，并能夠根據(jù)缺陷類型分析產(chǎn)生的原因，制定出相應(yīng)的應(yīng)對措施及方案。

一、低碳不銹鋼管的焊接性能與應(yīng)用

 低碳不銹鋼管的可焊性主要是因為它的含碳量低，錳、硅的含量也相對較低，在正常情況下焊接，不會出現(xiàn)熱裂紋的現(xiàn)象，不容易產(chǎn)生淬火組織或硬化組織。金屬的含碳量越高，焊接難度越大，而低碳鋼的含碳量小于0.25%，決定了它的良好的焊接性能。低碳鋼的特點有：強度低、硬度低、塑形好、韌性好、易成形，通常焊前不需要預(yù)熱，不需要特殊的工藝措施，所以低碳鋼是最容易加工及焊接的材料之一。低碳不銹鋼管憑借其良好的焊接性能、良好的機械性能、低廉的價格，被廣泛應(yīng)用于機械制造、交通運輸、建筑及其他工業(yè)領(lǐng)域。建筑及機械使用的型鋼、鍋爐壓力容器使用的低碳鋼鋼板、鋼管等材料在焊接方面應(yīng)用廣泛。

二、焊接缺陷的含義及分類

  焊接缺陷是指焊接接頭處的不完整性，主要包含裂紋、氣孔、夾渣、未熔合、未焊透、形狀及尺寸不良等，這些缺陷中危害最大的是裂紋和氣孔。另外，根據(jù)焊接缺陷在焊縫中的位置不同，可以把焊接缺陷分成外部缺陷和內(nèi)部缺陷兩大類。

  外部缺陷是位于焊接外表面的缺陷，能夠用肉眼觀察到的明顯缺陷或用低倍放大鏡和檢測尺等能檢測出來的缺陷。包括裂紋、咬邊、下塌、焊瘤、表面氣孔、弧坑、焊穿、電弧擦傷和成形不良等。這些缺陷大多是由于操作工藝不當(dāng)引起，易造成應(yīng)力集中、設(shè)備泄漏、工件失效，影響焊接結(jié)構(gòu)的使用壽命。因此這些缺陷的及時清除及修補是是十分必要的。內(nèi)部缺陷位于焊縫的內(nèi)部，用肉眼觀察不到，可以通過RT、UT等無損檢測方式或破壞性試驗進(jìn)行檢驗。主要包括裂紋、氣孔、夾渣、未熔合、未焊透等。

  其中危險性最大的是裂紋。這些缺陷的存在使得焊件的承載能力大大降低，疲勞強度削弱，極易引發(fā)焊接質(zhì)量事故。

三、低碳不銹鋼管焊接產(chǎn)生的幾種典型缺陷與原因分析

 1. 裂紋

  裂紋缺陷是危害最大的缺陷之一，主要分為熱裂紋、冷裂紋、層狀撕裂等。此缺陷不僅降低焊縫強度，更容易在裂縫的末端形成尖銳的缺口，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的應(yīng)力集中，造成焊接結(jié)構(gòu)開裂。

   a. 熱裂紋是在高溫下產(chǎn)生的，他的特征是沿原奧氏體晶界開裂。C的含量高時，S在Fe中的溶解度會降低，當(dāng)鋼和焊接材料中的S含量過高時，熱裂紋最容易產(chǎn)生。其主要原因是自由的S在晶界集中，形成低熔點共晶物，又隨著結(jié)晶方向聚集在焊縫中央，這時在冷卻過程中，收縮應(yīng)力與共晶物的聯(lián)合作用促進(jìn)了熱裂紋的形成。

   b. 冷裂紋主要受淬硬組織、拘束應(yīng)力、擴散氫的影響，在低于200℃的情況下產(chǎn)生，它是焊接生產(chǎn)中最為普遍的一種裂紋。產(chǎn)生的原因是結(jié)晶過程中，氫含量太高無法完全逸出，集中在熱影響區(qū)；母材在冷卻速度較快的情況下，淬硬趨勢增大，進(jìn)而形成脆、硬的馬氏體組織；因各部位受熱不均，在冷卻時產(chǎn)生了巨大的拉應(yīng)力，且溫度越低，拉應(yīng)力越大。在三者的共同作用下，導(dǎo)致了冷裂紋的產(chǎn)生。

   c. 層狀撕裂是由于鋼板等母材的內(nèi)部存在有分層的夾雜物（沿軋制方向），在焊接時產(chǎn)生的垂直于軋制方向的應(yīng)力，致使在熱影響區(qū)或鄰近區(qū)域，產(chǎn)生臺階式的層狀開裂。焊接材料具有各向異性，所以層狀撕裂的方向平行于軋制方向。

  2. 氣孔

   氣孔問題在管道焊接過程中出現(xiàn)的概率較大，焊接材料烘干不足、油污、雜質(zhì)、操作不穩(wěn)定等因素都可能造成氣孔缺陷產(chǎn)生。其根本原因是焊接時，在高溫下熔融金屬釋放出多種氣體，這些氣體的溶解度隨著溫度的降低而減小，結(jié)晶時部分氣體未能及時逸出，最終氣泡就成了金屬內(nèi)的氣孔。氣孔主要有氫氣孔和CO氣孔，前者主要存在與焊接表面，而后者因冶金反應(yīng)存留在焊縫內(nèi)部。

  3. 夾渣

  夾渣是焊縫與熔合區(qū)之間存在的夾雜物，它的存在會降低焊縫金屬的韌性，出現(xiàn)熱裂紋和層狀撕裂的傾向。夾雜物主要有氧化物、硫化物和氮化物三種冶金產(chǎn)物，這三種產(chǎn)物的存在形式各不相同。氧化物夾渣主要為二氧化硅，硫化物夾渣為硫化錳和硫化鐵，氮化物夾渣主要為Fe4N。在實際的低碳鋼管道焊接過程中產(chǎn)生夾渣的原因主要有：①焊接的電流過小，焊接電壓較低，金屬熔池的溫度偏低，使得熔渣不容易上浮，與液態(tài)金屬難以分離。②焊條的運條速度太快，熔渣和熔液完全混合在一起，當(dāng)熔池凝固時，熔渣無法及時清出。③母材中存在的夾渣未清理干凈，鐵銹及一些難溶物滯留在熔池中，進(jìn)而產(chǎn)生夾渣。

  4. 未熔合

  未熔合是焊接時焊道與母材之間或焊道之間未能完全熔化結(jié)合的部分。產(chǎn)生未熔合的原因主要是焊接熱輸入過低，電弧產(chǎn)生偏吹，坡口側(cè)有銹蝕和污物，焊道間焊渣清理不徹底等。未熔合主要出現(xiàn)于坡口側(cè)壁、層間及焊縫根部。

四、低碳不銹鋼管道焊接過程中預(yù)防缺陷的措施

  1. 焊接材料

  焊接材料是保證焊接質(zhì)量、預(yù)防焊接缺陷的基本前提，直接關(guān)系到焊接的質(zhì)量和工程成本。對此，在低碳鋼管道焊接前，相關(guān)負(fù)責(zé)人要嚴(yán)格控制焊接材料的各個環(huán)節(jié)，如采購、驗收、存放、使用等。選擇焊接材料時要根據(jù)母材的強度和實際工作條件進(jìn)行挑選，使抗拉強度與力學(xué)性能能夠匹配適應(yīng)。焊條的型號較多，要根據(jù)具體情況選用。其次，所購焊接材料的化學(xué)成分、機械性能等必須符合相關(guān)工藝文件要求，質(zhì)量證明書符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，必要時要進(jìn)行材料復(fù)驗。焊接現(xiàn)場的材料存放要規(guī)范，濕度、溫度要控制。入庫的材料需要進(jìn)行質(zhì)量檢驗，合格后方可入庫，并做好標(biāo)記，分類堆放。使用前做好焊條烘干記錄，使用后回收再利用的焊條也要重新烘干，但同一焊條不得烘干超過兩次。

 2. 焊接環(huán)境

  管道焊接的環(huán)境控制是制約焊接質(zhì)量的重要因素之一。焊接環(huán)境的溫度控制與焊接材料和焊件有關(guān)，當(dāng)環(huán)境溫度低于焊接材料所需要的溫度下限時，按照焊接評定工藝進(jìn)行預(yù)熱。風(fēng)速和濕度的控制也不可忽視，特殊天氣，必須根據(jù)天氣預(yù)報及時采取相應(yīng)的應(yīng)對措施，若焊接環(huán)境不符合規(guī)范要求，那么必須停止施焊作業(yè)。如在有防風(fēng)設(shè)施的情況下，風(fēng)速仍超過規(guī)定值；電弧1米內(nèi)的相對濕度大于90%，焊件表面潮濕等。因為只有一個適宜的溫度、風(fēng)速、濕度，焊接質(zhì)量才能得到保證。

 3. 焊接檢驗

  焊接檢驗是焊接質(zhì)量控制過程中的重要環(huán)節(jié)。焊接檢驗的過程包括焊前檢驗、過程檢驗、焊后檢驗。焊前檢驗主要是審查相關(guān)文件資料、編制檢查計劃、檢查焊前準(zhǔn)備、檢查接頭的焊道清理狀況及組對間隙是否符合要求等；過程檢驗主要是檢查相關(guān)參數(shù)是否滿足焊接工藝的要求，焊接順序是否符合工藝要求，安裝位置是否符合圖樣要求等；焊后檢驗需要仔細(xì)準(zhǔn)確地檢查焊縫的形式、尺寸及外觀狀況。同時，對于檢查發(fā)現(xiàn)有缺陷的焊縫，要立即制定返修工藝進(jìn)行返修。返修后，還要再次檢驗，并做好返修與檢驗記錄。

五、結(jié)語

  總而言之，在低碳鋼管道焊接工程開始前，對焊接人員、焊接材料、焊接工藝的選擇至關(guān)重要，把握好焊接的第一步。其次，嚴(yán)格控制好焊接環(huán)境、焊接操作、焊接檢驗，在細(xì)節(jié)上把握住焊接的質(zhì)量。同時，管道技術(shù)人員要加強培訓(xùn)，提高焊接技能，學(xué)習(xí)先進(jìn)焊接技能。相關(guān)項目負(fù)責(zé)人要履行自身職責(zé)，全面落實質(zhì)量監(jiān)管工作，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量缺陷于萌芽狀態(tài)，避免重大質(zhì)量事故的產(chǎn)生，從而降低工程成本，提高效益。