凝固裂缝敏感性研究何德孚曹志梁周志江蔡新强(上海交通大学)(浙江久立不锈钢管公司)摘要分析了不锈钢工业用焊管GTAW及PAW自动焊焊缝中心线出现凹陷及凝固裂缝的形态特征、产生原因及其影响因素。指出了在大直径不锈钢管生产的拼板及纵缝焊接时都应特别注意控制焊接参数,以防止出现过度的中心线凹陷及凝固裂缝。关键词不锈钢焊管焊缝缺陷中心线凹陷凝固裂缝产生原因影响因素焊接参数0引言在单面焊双面一次成形的熔化焊接生产中,焊缝中心线凝固裂缝常常是一个影响焊缝质量及生产效率的严重问题,在不锈钢的钨极氩弧焊、等离子弧焊、电子束及激光焊接应用中这个问题都曾发生并受到众多研究者的广泛关注而进行过一系列研究[1～8]。笔者在数十年的工作中曾多次遇到这一问题并进行过反复思考,笔者将结合大直径不锈钢焊管生产分析这种裂缝的形态特征、发生条件和原因,讨论焊接参数条件、不锈钢种类及成分、焊管成形方式等因素的影响,并提出防止这种裂缝的控制途径。根据国外长期生产实践及由此而制订的不锈钢大直径焊管相关标准规定:虽然手工电弧焊(SMAW)、埋弧焊(SAW)、熔化极气体保护电弧焊(GMAW)、药芯焊丝电弧焊(FCAW)亦为某些产品应用,但由于大多数产品应用均只允许采用不加填充金属的自动焊,即钨极氩弧焊(GTAW)、等离子弧焊(PAW),这些已成为目前奥氏体、奥氏体ƒ铁素体双相不锈钢焊管生产通用的方法。此外,大多数产品还不允许焊管出厂时有环拼接焊缝,有时5355mm以上大直径不锈钢焊管生产中还要求进行纵向拼板自动焊。这种不锈钢平板的纵向拼接和大直径焊管纵缝一样都要进行装配点焊然后再进行GTAW或PAW单面焊双面一次成形自动焊,实践表明,这些焊缝均可能在一定条件下出现焊缝中心线凹陷及凝固裂缝。1焊缝表面中心线凹陷及凝固裂缝的形态特征图1所示为此类凝固裂缝的典型形态,其特征为:(1)从焊缝横截面上看,焊缝中心线处总是可见程度不同的凹陷,凹陷深度最大可达数百微米,因此从焊缝顶部见到明显的脊线(图1a,图1b)。(2)从焊缝横截面金相照片上可见出现凹陷的焊缝晶粒都比较粗大,其表面呈不规则疏松组织(图1c,图1d);在经过点固焊点及焊速、焊接电流波动点时常在焊缝中心凹陷处发现明显的晶间裂缝(图1e)。(3)不同成分的不锈钢具有明显不同的焊缝结晶组织形态和焊缝中心线裂缝倾向;晶粒粗大的含钼奥氏体钢(例如图1a～图1e所示SUS36钢)比晶粒细小的含Ti的奥氏体不锈钢(图1f)更容易出现焊缝中心线凹陷及裂缝,由图1c,图1d,图1e与图1f的对比可见,后者的晶粒要细小得多。(4)除了少数很深的裂缝或凹陷,一般难以在X光检验,尤其很难从透过双层壁厚的焊管纵缝X光检验中发现。2实验数据为了研究不锈钢焊缝中心线凹陷及凝固裂缝产生原因及影响因素,笔者曾在实验室条件下对某工厂产生此类裂缝的SUS36不锈钢进行了实验对比,实验结果见表1。试验板厚2mm,试板也按生产条件预先点固焊后进行GTAW自动焊,采用铜成形垫板一次焊透双面同时成形,为获得理想表面成形添加填充焊丝,板材和焊丝均从日本进口,SUS36为低碳含钼奥氏体不锈钢,成分如表2所列。由此可见:(1)通过调整垫板、压板材质改变散热条件(铜垫+软钢压板、马口铁垫+软钢压板、钢垫+不锈钢压板、马口铁垫+不锈钢压板、不锈钢垫+不锈钢压板,散热条件依次变差),散热条件越差,不锈钢GTAW焊缝表面凹陷中心线裂缝倾向加剧,其具体表现为:凹陷逐渐明显,经过点固焊处裂缝概率上升,其严重时,凹陷很深,每一个点固焊处都可发现裂缝(见表1中3～6)。(2)散热条件相同时,增加焊接电流及焊接速度,焊缝中心线裂缝倾向也增加(见表1中2、4及7～9)。(3)以上两项因素都将综合地反映在熔池尾部形态特征上:熔池尾部愈细长,即熔池尾部长度与熔池半宽之比,OMƒON(图3b)值愈大,则焊缝中心线表面裂缝倾向加剧。图2a1～图2d1分别为表1中7～10号试样的焊接熔池尾部形态特征。其中熔池尾部曲线是从焊缝表面纹波曲线描写的。而表1中的OMƒON值即是从这些熔池尾部形态曲线上测定的。3分析讨论上述不锈钢焊管生产中发现的焊缝中心线表面裂缝是一种发生在最后凝固部位或者说是在凝固最后阶段发生的凝固裂缝。对于这类热裂缝近20多年里国际上已有许多研究分析[1～12]。下面仅结合不锈钢拼板及焊管生产特点,分析此类中心线凝固裂缝的形成机理及影响因素。表1焊接条件对不锈钢GTAW自动焊熔池形状及焊缝中心线裂缝倾向的影响序号试件编号填丝直径mmƒ散热条件焊接参数熔池形状特征OMƒON裂缝倾向UƒCIƒAvƒ(mm·min)10-1,0-2,12-1,2-2,2-31.6铜垫、软钢压板10±1135±5330↓增加↓增加27,8,9,101.6马口