焊材和焊接过程控制对抑制裂纹形成的重要作用

刘 平 张毅印

（湖北特种设备检验检测研究院随州分院，湖北 随州 441300）

0 引言

焊接接头（俗称“焊缝”）是承压类特种设备的重要组成部分，在一些重要设备中，焊缝的占比可能达到30%以上[1]。在焊缝的各种不同缺陷中，裂纹一直是生产单位不得不面对的棘手问题，在产品完工投用后，再发现裂纹，将给各大企业带来重大损失。裂纹出现的时间存在不确定性，对于有些材料，存在“超级延迟”的裂纹现象[2]，如图1 所示，为某压力容器检验人员定期检验时发现的裂纹，该裂纹被证明为焊接过程中产生的裂纹。由于当发现裂纹时，设备正在使用，停产检修会给使用单位带来经济损失，此时可能被业主要求惩罚性的巨额赔偿，给生产单位造成巨额损失同时也影响其声誉。

图1 某压力容器环缝上的裂纹

探究横向裂纹的形成原因，找到其解决方案，对于生产单位的经济效益和声誉，以及使用单位的设备运行安全都具有重要意义，本文作者通过检验实践，总结出横向裂纹形成的几个重要原因，并提出相应的解决方案。

1 材料因素

究竟是什么原因造成“裂纹”的产生呢？国内外许多学者做了大量调查研究，但是始终没有最终的定论，也未提出彻底的解决方法。笔者在检验实践工作和融汇国内外学者的研究成果时发现，横向裂纹主要在埋弧焊和气体保护焊（主要是CO2）这2 种焊接方法中产生，特别是CO2气体药芯保护焊[3]。裂纹的产生是由多种因素产生的，最为关键的三个是母材、焊材、焊接过程。

1.1 母材

含碳量高的高强度钢较低碳钢的容易产生横向裂纹，TMCP 材料（热轧状态的材料）由于其独特的生产工艺，造成它是一种较敏感性材料，再则母材中含有其他非金属杂质多的、厚度大的、带有夹层的、表面有腐蚀生锈的等也容易产生横向裂纹。

1.2 焊材

埋弧焊和药芯焊两者的共通点是都有药粉（剂），它们在制造的过程中，各种配料所用的纯度不足或本身带杂质，都会影响焊缝性能。如今焊材行业竞争激烈，为了保持利润改用其他便宜的配方或者用纯度不足的材料（偷工减料），这会降低焊接性能或者叫抗裂能力。如果有些焊材厂不注重每个生产环节，在生产的过程和库存时就受潮，等到用户使用时为时已晚了。

埋弧焊在焊接的过程中回收没有熔化的药粉时，会同时把其他杂质一同吸收回料斗中，特别是卷管连续生产的螺旋焊缝，在机械强力卷管的同时大量的钢板表面氧化物（氧化皮）脱落与其他沙尘粉末焊渣等混合在药剂中再重新进入焊道熔池中，造成污染，再遇上药剂受潮、母材预热和保温不足时，也会产生横向裂纹。不同品牌药芯焊丝的质量有参差不齐的情况，焊丝储藏和使用方法不当也是令焊缝产生横向裂纹的源头。首先，原厂生产时就分为2 种包装：普通包装和真空包装。在室内受控制的环境下用普通包装，再按厂家要求短时间内用完也没事。如果普通包装储藏不当、运输途中保护不足、中间经销商的处理不当令焊丝受潮，又在没任何防护措施的天然环境下使用焊丝，使焊丝进一步受潮和其他污染，也是会造成横向裂纹的。无论是普通包装还是真空包装，厂家都要求用户在开封后24 h 内使用，停止施焊过程中未将焊丝存放于干燥箱中。如果在户外有雨、雪、露水和海风的地方焊接，必须将焊丝用一个有防水性能的保护罩罩住来使用，开封后超过24 h 无论是否有保护罩或存放干燥箱都不得再使用。在工程实践过程中，施工单位很少能做到这一点，例如在承压设备现场安装施焊时，无论在室内室外都是没有用保护罩的，任凭风吹雨打，完全没有时间观念，也没有室内室外有所不同的观念。即使在室内，在春冬季节、阴冷潮湿的气候下，室内也是很潮湿的，我们是一卷15 kg 的焊丝可以连续超过24 h、48 h 甚至长年使用都行，这种严重的错误行为我们却习以为常。

以下列举了几家国外知名的焊丝厂家对用户提出的《药芯焊丝储藏和使用注意事项》。1）包装的焊丝。每卷焊丝应当用聚乙烯薄膜覆盖，并进一步在瓦楞纸箱包装，运输或贮存过程中保护。2）非开封瓦楞纸箱推荐的存储条件。焊丝应存放在仓库无雨、雪或者露水等；它们不应该直接放在地板上，但是可以放在木质托盘上；它们应该存放在一个湿度较低的地方。3）开封焊丝的存储。这是没有必要重新干燥它们的；如果再干燥，塑料芯盘可能受热变形；在遭受到雨、雪、露和海风等的地方焊接时，应该用有防水功能的盖罩住送丝机；它们应该在湿度较低的地方使用；焊丝开封后应在24 h 内使用完毕，完工后如果有剩余焊丝留下，应存放在干燥的条件下。在这种情况下，每根焊丝表面应覆盖聚乙稀膜或保护膜。

2 焊接过程

焊接过程是其中最主要的原因。焊接过程中的一整套工艺程序及其技术规定包括焊接方法、焊前准备加工、装配、焊接材料、焊接设备、焊接顺序、焊接操作、焊接工艺参数以及焊后处理等。有以下13 个因素对横向裂纹的产生具有重要影响。1）在焊接过程中从坡口预制、打磨、组对、坡口角度间隙、表面处理、工件预热、保温、焊后缓冷除氢等。2）是否严格按已经做好的焊接工艺操作。3）焊工是否持相应合资格。4）焊接环境是否有做到防风、防雨、防雪、防露水、防潮气并且做到透光透气照明适当的安全可靠的。5）焊缝表面是否清除油污、水迹、铁锈。6）是否过分使用碳弧气刨，开坡口、清根、多次返修后没有将其碳化物清除而进行焊接，气刨的压缩空气是否除水。7）焊机和焊枪的保养维护不当，无法发挥应有的焊接性能。8）在焊接过程中对焊丝没有采取应有保护和使用超过时限或者使用已经受潮受污染的焊丝。9）埋弧焊的药剂使用不同品牌的焊丝，药剂没有充分烘干，药剂在回收过程将钢板氧化物（氧化皮）、其他杂质、焊渣和沙尘粉末等一并吸收，再次投入焊接时造成。10）工件组合的内应力过大，没有控制焊接变形，所带来的拘束应力过大超出焊缝所能承受的拉应力。11）NDT 检验过高地要求而返修反造成更多的缺陷。12）厚度大焊道多的焊缝也是原因之一，焊缝中的杂质堆积会产生累积效应而产生横向裂纹。13）焊缝的排列形状和次序也会影响焊缝内的拘束力（内应力）。

上述13 条是焊接过程中，对裂纹的形成具有重要影响的因素，此外还存在其他一些因素，在此不一一列举。

3 结语

虽然横向裂纹产生的原因是多方面的，但是笔者认为主要原因在药芯焊丝，母材方面的问题较少，对于承压类特种设备来说，最常用的是低碳低合金钢，焊接工艺也是成熟的和常用的，我们应将主要精力放在药芯焊丝的监控方面。

通过检验实践，笔者总结了如下10 个“焊丝使用守则”的建议。1）尽可能都用真空包装。2）用小容量5 kg 包装（或者在高空、露天场地、狭窄环境等）。3）在露天场地用防水性能的盖罩罩住焊丝进行焊接。4）中途休息或超出1 h 不焊接时存放在干燥箱内。5）开封后超出24 h 不得再使用。6）拆封时如果见到生锈和变色不得使用。7）使用途中焊丝雨水淋湿或其他污染不得再用。8）同一批号焊丝出现横向裂纹时停止使用，直到查出原因为止。9）如果有可能我们可以像派驻钢板厂验收钢板材料一样，全程监控焊丝的生产、库存、运输等过程。10）采取退货索赔和选择质量信誉好的焊材厂。

目前，外国品牌进入国内生产，国内也有些厂家能够生产药芯焊丝了，但是有些国内的焊材厂被国外知名焊材公司收购后，虽然挂外国品牌用国产机器、国内人管理和生产。一些材料理论知识欠缺的生产者有时以为药芯焊丝是密封的，对潮湿的生产环境不加以控制，其实它是由薄钢板卷入药粉的，无论它卷成管状是多么严密，它一样会吸入潮气，就像我们做渗透无损检测原理的毛细管渗入，中心干燥药粉是很容易将潮气吸入，造成刚出厂的焊条就已受潮。

根据焊接的相关知识我们知道，低氢焊条如果受潮就会引起延迟裂纹，这是在用焊条的年代大家早已形成的共识。可是现在我们很多人都不知道药芯焊丝比电焊条更为要求严厉，特别是有些焊接大师傅盲目地认为药芯是万能焊丝，只看到它的效率，没有看到它最危险的一面。我认为药芯焊丝比焊条更要严格管理，现在所有参与建造的人都要知道，药芯如果像焊条那样防止受潮，需要共同监管药芯焊丝。利用管理电焊条方法用来控制药芯焊丝，我相信裂纹马上会大大减少。

以下是笔者总结的保证焊接质量的5 个控制环节。1）安全舒适的焊接工作环境。2）适用的焊接工艺规程及标准化作业。3）高质量的焊接材料。4）高性能和稳定性的焊接设备。5）优秀焊工的操作技能和经验。

做好5 个控制焊缝质量的环节，我们不仅控制好裂纹，还可以得到高质量的焊缝质量，为企业避免不必要的经济损失，同时，也能保障人民的生命财产安全。