摘要：簡要介紹了水柱式（射流）超聲波探傷的工作方式及原理。分別采用手動超聲波探傷、X射線拍片、熒光磁粉檢查及金相分析等方法，對X65級準(zhǔn)660 mm×12.7 mm直縫埋弧焊管生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)的焊縫橫向裂紋進(jìn)行了分析及識別。分析了橫向裂紋的形成機(jī)理，并通過控制焊縫中S和P等有害雜質(zhì)元素的含量，優(yōu)化焊接工藝，做好焊接前原料（如板邊坡口）的除銹等，改善焊接環(huán)境等措施，可有效防止和消除焊縫橫向裂紋的產(chǎn)生，保證焊管焊縫質(zhì)量。

1水柱式（射流）超聲波探傷簡介

??? 在直縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)檢驗(yàn)過程中，存在于焊縫中危害最大的缺陷是裂紋等線性缺陷。為保證鋼管焊縫的內(nèi)在質(zhì)量，必須要準(zhǔn)確地檢測到焊縫的裂紋缺陷，并有效控制裂紋的產(chǎn)生。渤海裝備巨龍鋼管有限公司生產(chǎn)直縫埋弧焊鋼管時，要對全焊縫進(jìn)行100%在線超聲波探傷，探傷時采用水柱式（射流）耦合。水柱式（射流）超聲波探傷是在探頭和鋼管之間通過射流水柱進(jìn)行耦合，水柱高度一般在5～10 mm之間。調(diào)整探頭縱波的入射角（一般控制在18°～22°之間），使探頭發(fā)出的縱波聲束通過水鋼界面入射到鋼管焊縫中，再通過波形轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對鋼管焊縫的探傷。

??? 水柱式（射流）超聲波探傷工作方式及原理如圖1所示。

為了檢測直縫埋弧焊鋼管焊縫或熱影響區(qū)的橫向缺陷，在實(shí)際工作中采用2個橫向探頭騎在焊縫上進(jìn)行掃查。探頭發(fā)出的縱波聲束通過水鋼界面，使鋼中橫波探頭折射角βs=45°，從而實(shí)現(xiàn)對焊縫中橫向缺陷的純橫波探傷。

2 超聲波自動探傷時發(fā)現(xiàn)的問題對

X65級準(zhǔn)660 mm×12.7 mm直縫埋弧焊管焊縫進(jìn)行超聲波自動探傷時，連探橫向探頭報警，連探圖形顯示橫向缺陷，如圖2所示。此類缺陷有以下特點(diǎn)：①缺陷在擴(kuò)徑、水壓前的1#超聲波自動探傷檢測過程中被發(fā)現(xiàn)，表明該缺陷在焊接后就已存在；②在檢測焊縫內(nèi)表面時，橫向探頭發(fā)現(xiàn)該缺陷，缺陷波形獨(dú)立并超出報警極限；③受此類缺陷自身深度或角度以及透照方向的影響，X射線拍片有時能發(fā)現(xiàn)，但拍出的底片影像模糊，失去缺陷的基本特征。

??? 為了準(zhǔn)確判別這類缺陷的性質(zhì)和成因，分別采用超聲波探傷、X射線拍片、金相組織分析等方法進(jìn)行了研究。

3無損探傷驗(yàn)證

3.1超聲波手動探傷

??? 對在線超聲波自動橫向探頭報警處進(jìn)行手動超聲波復(fù)查，采用便攜式超聲波手探儀CTS-22，配2.5P8×12K1斜探頭進(jìn)行橫波探傷，發(fā)現(xiàn)鋼管焊縫內(nèi)表面及近表面處存在橫向缺陷。缺陷波形分析如下：

（1）???? 缺陷當(dāng)量。反射回波為準(zhǔn)1.6 mm—100%+（6~12 dB），按照API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)為超標(biāo)缺陷。缺陷回波高度高、波幅寬，在缺陷兩側(cè)均可探到。焊縫內(nèi)表面及內(nèi)近表面處存在的橫向缺陷，在示波屏上第1和第3次都有獨(dú)立回波出現(xiàn)，尖而獨(dú)立，如圖3所示。

（2）缺陷波根寬度。波根寬度約3 mm，轉(zhuǎn)動探頭角度，缺陷回波高度有變化，說明缺陷有圖2在線自動探傷顯示的橫向缺陷波形一定的角度或方向。

（3）該報警處缺陷位于焊縫表面或余高內(nèi)，缺陷呈橫向，大部分在焊縫邊緣向中心方向延展，且在焊縫邊緣焊趾處橫向2～4 mm，長度較小。

3.2 X射線拍片采用XY225-7.1/2.8 X射線拍片系統(tǒng)對超聲波探傷確定的缺陷部位進(jìn)行X射線拍片，通過多次調(diào)整X射線束傾斜透照，透照時射線束方向與該缺陷深度方向平行，發(fā)現(xiàn)底片上缺陷形貌如圖4所示。

??? 該缺陷細(xì)節(jié)特征：輪廓分明的黑線，線有微小鋸齒，有分叉，粗細(xì)黑度有變化；該缺陷產(chǎn)生于焊縫邊界而延伸于焊縫熱影響區(qū)，有一定走向垂直于焊縫邊界。

3.3熒光磁粉檢查

??? 對超聲波手動探傷不合格焊縫部位進(jìn)行熒光磁粉檢查，發(fā)現(xiàn)焊縫外表面可見清晰的磁痕顯示，長度約2～4mm，磁痕濃密清晰可見，呈直線狀且垂直于焊縫方向，判定為焊縫表面橫向裂紋缺陷。

???? 根據(jù)上述檢驗(yàn)結(jié)果，對判定不合格的焊縫部位處取樣進(jìn)行金相分析，裂紋微觀形貌如圖5所示。

??? 圖5（a）為裂紋的整體形貌，裂紋從焊縫表面向內(nèi)部延伸形成開裂，中間的黑色孔洞中仍有小塊黃色物質(zhì)殘留，疑為未完全脫落的Cu。圖5（b）為焊縫內(nèi)缺陷微觀形貌，該缺陷呈閉合條狀，缺陷右下方為殘留的黃色物質(zhì)，在光學(xué)顯微鏡下清晰可見。這些殘留物質(zhì)一方面可能為制樣過程中摩擦導(dǎo)致的不完全脫落，此時以夾雜物的形態(tài)存在；另一方面也可能該物質(zhì)已經(jīng)與周圍介質(zhì)脫離，存在空隙形成開裂，取樣加工過程中雜質(zhì)自行脫落。

??? 在對試樣進(jìn)一步掃查時發(fā)現(xiàn)在焊縫表面以下的淺層位置中存在大量呈曲線分布的黃色物質(zhì)以夾雜物形態(tài)存在于焊縫金屬中，夾雜物邊緣在光學(xué)顯微鏡下為黑色，已經(jīng)形成開裂，如圖6所示。

???? 將試樣進(jìn)行電鏡掃描分析后確認(rèn)，焊縫中的黃色物質(zhì)為Cu的大量聚集，該處w（Cu）達(dá)到79.7%，另有11.8%的Zn存在，造成裂紋出現(xiàn)的原因應(yīng)為焊縫中混入了黃銅合金。

4成因分析

4.1裂紋機(jī)理

??? 從裂紋形態(tài)看，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，裂紋屬于典型結(jié)晶裂紋，其產(chǎn)生有兩個必要條件：①冶金因素，焊接過程中（熔池階段或焊縫紅熱狀態(tài)下）有低熔點(diǎn)雜質(zhì)進(jìn)入；②應(yīng)力作用。

??? 焊接應(yīng)力在焊接過程中是不可避免的，因此，要控制熱裂紋，主要應(yīng)控制低熔點(diǎn)雜質(zhì)的進(jìn)入及成分偏析。造成結(jié)晶裂紋的低熔點(diǎn)物質(zhì)主要有Cu，Zn，S和P等。從分析結(jié)果來看，Cu及銅合金是造成橫向裂紋最主要的低熔點(diǎn)物質(zhì)。這些Cu及銅合金可能來自鋼板自身的Cu偏聚和外部的Cu污染。

??? 針對鋼板自身Cu聚集的可能情況，巨龍鋼管公司已經(jīng)與鋼廠進(jìn)行了深入的交流。從冶金角度分析，鋼板成分中Cu含量很低，基本不會出現(xiàn)Cu在焊材中大量聚集的情況。如果Cu來自鋼板內(nèi)部的成分偏析，應(yīng)該在熔合線位置有殘留的Cu。另外Cu的體積質(zhì)量大于鋼，在熔池中難以浮出，凝固后在熔池的中下部位置應(yīng)該有夾雜物形態(tài)的Cu。從取樣分析結(jié)果來看，裂紋只存在于熔池表面和表面以下很淺的位置，因此，基本排除鋼板自身Cu偏聚的可能性。

??? 外部的Cu污染有兩種可能：鋼板吊運(yùn)過程中表面接觸Cu和焊接過程中有Cu進(jìn)入。而鋼板在吊裝過程中并沒有與Cu接觸的環(huán)節(jié)，因此就排除了鋼板吊運(yùn)過程中表面接觸Cu的可能。

??? 針對這種橫向裂紋，長期以來已經(jīng)采取了諸多措施防止焊接過程的Cu污染。為杜絕Cu源，生產(chǎn)線上使用不鍍Cu焊絲，更換新焊劑。根據(jù)檢驗(yàn)報告，Cu和Zn在缺陷處聚集，這兩種元素是銅合金的主要成分，因此懷疑焊縫中Cu的聚集可能為外部進(jìn)入溶池的銅合金所致。焊接崗位的導(dǎo)電桿材質(zhì)為銅合金，在送絲過程中套在焊絲外的白管有時會被磨穿，如不及時更換，焊絲會繼續(xù)磨損導(dǎo)電桿內(nèi)壁，從而使導(dǎo)電桿內(nèi)壁磨掉的Cu屑脫落混入焊劑，在焊接過程中接觸焊縫表面，形成裂紋。

4.2 Cu源進(jìn)入焊縫的途徑

??? 埋弧焊過程中焊縫形成及Cu裂產(chǎn)生示意如圖7所示。在焊接過程中，外部Cu源（焊絲鍍Cu、導(dǎo)電嘴、導(dǎo)電桿Cu磨損）從導(dǎo)電嘴內(nèi)孔灑落在焊劑上，隨焊劑循環(huán)使用混入其中，并有機(jī)會接觸液態(tài)熔池及高溫焊縫表面，滲入熔池或焊縫表面產(chǎn)生裂紋。

??? 之前的分析認(rèn)為，Cu進(jìn)入焊接熔池與液態(tài)金屬混合在一起未能浮出熔池形成偏聚和開裂，因此，在工藝調(diào)整中以增加熔池作用力為主，希望通過加強(qiáng)熔池的攪拌作用使Cu完全浮出熔池，避免在焊縫中的凝固聚集。

鋼廠在連鑄工藝中出現(xiàn)過由于Cu板磨損導(dǎo)致Cu掉落在板坯表面形成開裂的現(xiàn)象，同樣，彎管廠也出現(xiàn)過類似的情況。據(jù)此推斷，當(dāng)鋼的表面溫度高于Cu熔點(diǎn)時，Cu可能以液態(tài)形式通過滲透作用進(jìn)入鋼基體，在晶界處快速擴(kuò)散凝固后形成滲透裂紋。

圖8為焊縫表面Cu的聚集形態(tài)。圖8（a）中Cu完全聚集于焊縫表面，界線分明，不符合熔池中雜質(zhì)浮出時經(jīng)常帶有的凹凸?fàn)罱缑?，說明Cu接觸焊縫表面時焊縫已凝固（屬于圖7中A-B段）；圖8（b）中Cu不但在焊縫表面聚集，在表面以下也有分散存在，且Cu與焊縫的分界面凹凸不平（可能在圖7中A-D段發(fā)生）。

5橫向裂紋控制措施

5.1冶金方面

5.1.1控制Cu源

??? 針對Cu的來源，采取的控制措施為將內(nèi)外焊崗位送絲機(jī)構(gòu)中的白管更換為彈簧管，利用彈簧管的耐磨性保護(hù)導(dǎo)電桿內(nèi)壁不受磨損；使用端頭為耐磨合金的國產(chǎn)導(dǎo)電嘴，減少導(dǎo)電嘴磨損；全面清理內(nèi)外焊機(jī)頭和送絲機(jī)構(gòu)；及時更換新焊劑，保證焊材和設(shè)備的清潔。

??? 根據(jù)Cu進(jìn)入焊縫的形成機(jī)理來分析，焊接線能量和焊接時間的增加使熔池和溶渣尺寸變長，焊縫表面溫度升高，增加了焊縫、溶渣的冷卻時間，從而為Cu的滲入提供了時間，有利于Cu進(jìn)入到焊縫內(nèi)部。另外，焊絲絲距過大同樣使熔池長度增加。針對以上分析，可以在保證焊接質(zhì)量的前提下適當(dāng)調(diào)整焊接工藝，即適當(dāng)降低焊接電流，提高焊速，減小絲距。

5.1.2控制焊縫中有害雜質(zhì)的含量

??? 從理論分析可知，S，P和C等為有害雜質(zhì)，S和P等元素不僅能形成低熔點(diǎn)共晶物，而且還能促使偏析，是產(chǎn)生熱裂紋的主要因素之一。因此，應(yīng)提高焊劑堿度，有效控制S，P和C等有害雜質(zhì)，防止或降低裂紋的產(chǎn)生傾向。

5.2工藝控制

??? 裂紋產(chǎn)生需要兩個條件，即低熔點(diǎn)物質(zhì)的存在和應(yīng)力作用。橫向裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展受縱向拉伸應(yīng)力的影響，通過改變工藝改善焊接時的應(yīng)力狀態(tài)，也可以防止橫向裂紋的產(chǎn)生。適當(dāng)增加焊接線能量，減小焊縫金屬應(yīng)變率，同樣可以降低裂紋傾向。但由于一定壁厚的鋼管焊接參數(shù)相對固定，調(diào)整工藝必須在保證焊縫性能及宏觀形貌的前提下進(jìn)行。同時增加線能量即增加了銅滲入焊縫的機(jī)率，以往的統(tǒng)計結(jié)果表明，增大線能量有增多裂紋產(chǎn)生的趨勢，不建議采用。工藝調(diào)整應(yīng)首先保證焊縫溶透深度，在此基礎(chǔ)上向減小線能量方向調(diào)整。

5.3 做好焊前準(zhǔn)備工作

??? 焊接前要做好鋼板和坡口處的除銹，將焊劑加熱到規(guī)定溫度，并按規(guī)定時間進(jìn)行烘干和保溫。焊接過程中要注意焊接環(huán)境的清理。6結(jié)語對直縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的焊縫裂紋（銅裂）進(jìn)行探傷、金相分析和識別，并在冶金和工藝方面采取了適當(dāng)?shù)目刂拼胧行Х乐购拖撕缚p橫向裂紋的產(chǎn)生，保證了鋼管產(chǎn)品的焊縫質(zhì)量。