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无损检测导论 無損檢測導論（2005年元月電子修訂版）夏紀真編著 第五章無損檢測人員應掌握的材料與冶金工藝基礎知識 §5.7金屬焊接工藝的基礎知識 §5.7.2常見的焊接缺陷 （1）未焊透： 母體金屬接頭處中間（X坡口）或根部（V、U坡口）的鈍邊未完全熔合在一起而留下的局部未熔合。 未焊透降低了焊接接頭的機械強度，在未焊透的缺口和端部會形成應力集中點，在焊接件承受載荷時容易導致開裂。 （2）未熔合： 固體金屬與填充金屬之間（焊道與母材之間），或者填充金屬之間（多道焊時的焊道之間或焊層之間）局部未完全熔化結合，或者在點焊（電阻焊）時母材與母材之間未完全熔合在一起，有時也常伴有夾渣存在。 （3）氣孔： 在熔化焊接過程中，焊縫金屬內的氣體 或外界侵入的氣體在熔池金屬冷卻凝固前未來得及逸出而殘留在焊縫金屬內部或表面形成的空穴或孔隙，視其形態可分為單個氣孔、鏈狀氣孔、密集氣孔（包括蜂窩狀氣孔）等，特別是在電弧焊中，由于冶金過程進行時間很短，熔池金屬很快凝固，冶金過程中產生的氣體、液態金屬吸收的氣體，或者焊條的焊劑受潮而在高溫下分解產生氣體，甚至是焊接環境中的濕度太大也會在高溫下分解出氣體等等，這些氣體來不及析出時就會形成氣孔缺陷。 盡管氣孔較之其它的缺陷其應力集中趨勢沒有那么大，但是它破壞了焊縫金屬的致密性，減少了焊縫金屬的有效截面積，從而導致焊縫的強度降低。 某鋼板對接焊縫X射線照相底片 V型坡口，手工電弧焊，未焊透 某鋼板對接焊縫X射線照相底片 V型坡口，手工電弧焊，密集氣孔 （4）夾渣與夾雜物： 熔化焊接時的冶金反應產物，例如非金屬雜質（氧化物、硫化物等）以及熔渣，由于焊接時未能逸出，或者多道焊接時清渣不干淨，以至殘留在焊縫金屬內，稱為夾渣或夾雜物。 視其形態可分為點狀和條狀，其外形通常是不規則的，其位置可能在焊縫與母材交界處，也可能存在于焊縫內。 另外，在采用鎢極氬弧焊打底+手工電弧焊或者鎢極氬弧焊時，鎢極崩落的碎屑留在焊縫內則成為高密度夾雜物（俗稱夾鎢）。 鋼板對接焊縫X射線照相底片 V型坡口，手工電弧焊，局部夾渣 W18Cr4V（高速工具鋼）-45鋼棒 對接電阻焊縫中的夾渣斷口照片 鋼板對接焊縫X射線照相底片 V型坡口，手工電弧焊，兩側線狀夾渣 鋼板對接焊縫X射線照相底片 V型坡口，鎢極氬弧焊打底+手工電弧焊，夾鎢 （5）裂紋： 焊縫裂紋是焊接過程中或焊接完成后在焊接區域中出現的金屬局部破裂的表現。 焊縫金屬從熔化狀態到冷卻凝固的過程經過熱膨脹與冷收縮變化，有較大的冷收縮應力存在，而且顯微組織也有從高溫到低溫的相變過程而產生組織應力，更加上母材非焊接部位處于冷固態狀況，與焊接部位存在很大的溫差，從而產生熱應力等等，這些應力的共同作用一旦超過了材料的屈服極限，材料將發生塑性變形，超過材料的強度極限則導致開裂。 裂紋的存在大大降低了焊接接頭的強度，并且焊縫裂紋的尖端也成為承載后的應力集中點，成為結構斷裂的起源。 裂紋可能發生在焊縫金屬內部或外部，或者在焊縫附近的母材熱影響區內，或者位于母材與焊縫交界處等等。 根據焊接裂紋產生的時間和溫度的不同，可以把裂紋分為以下几類： a.熱裂紋（又稱結晶裂紋）： 產生于焊縫形成后的冷卻結晶過程中，主要發生在晶界上，金相學中稱為沿晶裂紋，其位置多在焊縫金屬的中心和電弧焊的起弧與熄弧的弧坑處，呈縱向或橫向輻射狀，嚴重時能貫穿到表面和熱影響區。 熱裂紋的成因與焊接時產生的偏析、冷熱不均以及焊條（填充金屬）或母材中的硫含量過高有關。 b.冷裂紋： 焊接完成后冷卻到低溫或室溫時出現的裂紋，或者焊接完成后經過一段時間才出現的裂紋（這種冷裂紋稱為延遲裂紋，特別是諸如14MnMoVg、18MnMoNbg、14MnMoNbB等合金鋼種容易產生此類延遲裂紋，也稱之為延遲裂紋敏感性鋼）。 冷裂紋多出現在焊道與母材熔合線附近的熱影響區中，其取向多與熔合線平行，但也有與焊道軸線呈縱向或橫向的冷裂紋。 冷裂紋多為穿晶裂紋（裂紋穿過晶界進入晶粒），其成因與焊道熱影響區的低塑性組織承受不了冷卻時體積變化及組織轉變產生的應力而開裂，或者焊縫中的氫原子相互結合形成分子狀態進入金屬的細微孔隙中時將造成很大的壓應力連同焊接應力的共同作用導致開裂（稱為氫脆裂紋），以及焊條（填充金屬）或母材中的磷含量過高等因素有關。 c.再熱裂紋： 焊接完成后，如果在一定溫度范圍內對焊件再次加熱（例如為消除焊接應力而采取的熱處理或者其他加熱過程，以及返修補焊等）時有可能產生的裂紋，多發生在焊結過熱區，屬于沿晶裂紋，其成因與顯微組織變化產生的應變有關。 對接焊縫上的縱向表面裂紋與外咬邊的熒光磁粉檢測顯示照片（照片來源： 日本EISHINKAGAKUCO.,LTD） 合金鋼板對接焊縫X射線照相底片 V型坡口，氣體保護焊-鎢極氬弧焊，橫裂紋 厚度14mm低合金鋼板對接焊縫X射線照相底片，X型坡口，自動焊，縱向裂縫（照片來源： 《焊縫射線照相典型缺陷圖譜》崔秀一張澤丰李偉編著） （6）偏析： 在焊接時因金屬熔化區域小、冷卻快，容易造成焊縫金屬化學成分分布不均勻，從而形成偏析缺陷，多為條狀或線狀并沿焊縫軸向分布。 （7）咬邊與燒穿： 這類缺陷屬于焊縫的外部缺陷。 當母體金屬熔化過度時造成的穿透（穿孔）即為燒穿。 在母體與焊縫熔合線附近因為熔化過強也會造成熔敷金屬與母體金屬的過渡區形成凹陷，即是咬邊。 根據咬邊處于焊縫的上下面，可分為外咬邊（在坡口開口大的一面）和內咬邊（在坡口底部一面）。 咬邊也可以說是沿焊縫邊緣低于母材表面的凹槽狀缺陷。 其他的焊縫外部缺陷還有： 焊瘤： 焊縫根部的局部突出，這是焊接時因液態金屬下墜形成的金屬瘤。 焊瘤下常會有未焊透缺陷存在，這是必須注意的。 內凹或下陷： 焊縫根部向上收縮低于母材下表面時稱為內凹，焊縫蓋面低于母材上表面時稱為下陷。 溢流： 焊縫的金屬熔池過大，或者熔池位置不正確，使得熔化的金屬外溢，外溢的金屬又與母材熔合。 弧坑： 電弧焊時在焊縫的末端（熄弧處）或焊條接續處（起弧處）低于焊道基體表面的凹坑，在這種凹坑中很容易產生氣孔和微裂紋。 焊偏： 在焊縫橫截面上顯示為焊道偏斜或扭曲。 加強高（也稱為焊冠、蓋面）過高： 焊道蓋面層高出母材表面很多，一般焊接工藝對于加強高的高度是有規定的，高出規定值后，加強高與母材的結合轉角很容易成為應力集中處，對結構承載不利。 以上的外部缺陷多容易使焊件承載后產生應力集中點，或者減小了焊縫的有效截面積而使得焊縫強度降低，因此在焊接工藝上一般都有明確的規定，并且常常采用目視檢查即可發現這些外部缺陷。 鋼板對接焊縫X射線照相底片 V型坡口，手工電弧焊，外部咬邊 鋼板對接焊縫X射線照相底片 V型坡口，手工電弧焊，內部咬邊 注： 本節中引用的鋼板對接焊縫X射線照相底片除注明外來源于《射線透照焊縫典型照片分析》（韓繼增韓一編著） 低合金高强度抗H2S应力腐蚀钻材钢的研究 摘 要 “PU-1”低合金高强度抗H2S应力腐蚀钻材钢具有良好的综合力学性能和抗H2S应力腐蚀性能。 对“PU-1”钢和焊缝合金断裂行为的研究结果表明，“PU-1”钻材钢抗H2S应力腐蚀性能和焊接性能较好，应用于结构钢构件具有显著的经济和社会效益。 关键词 低合金高强度钢 抗H2S应力腐蚀 力学性能 可焊性 断裂行为 INVESTIGATIONON“PU-1”HSLAH2SSTRESSCORROSION RESISTANTDRILLSTEELANDITSWELDABILITY PUHaishan WANGHonggang （KunmingUniversityofScienceandTechnology） LIXi’nan （PanzhihuaIronandSteel（Group）Co.） ABSTRACT TheinvestigationonH2Sstresscorrosionresistant,mechanicalproperties,fracturemechanismandweldabilityof“PU-1”steelwascarriedout.Theresultsshow: drillsteeltype“PU-1”hasgoodH2Sstresscorrosionresistantandweldability,whichcanbeusedforstructureswithhigheconomicalprofitandsocietysignificance. KEYWORDS HSLAsteel,H2Sstresscorrosionresistant,mechanicalproperty,weldability,fracturemechanism 1 前言 我国石油、天然气含有较高的H2S和CO2，一般低合金钢钻材和金属构件在这样的环境中使用，会发生H2S应力腐蚀开裂，致使钻材和金属构件在远低于屈服强度的情况下发生突然的脆断事故；如现场使用的16Mn合金，由于它抗SSC性能差，强度又偏低（σs=343MPa）、远不能满足油、气田发展的需要，因此研制抗SSC新钢种成为急待解决的课题。 80年代以来国内外对抗SSC新钢种进行了大量的研制工作，并研制出强度级别在50～70kg的抗SSC新钢种。 由于强度越高冲击韧性aK越难提高，从而对H2S应力腐蚀就越敏感，因此至今在研制高强度抗SSC新钢种方面还没有取得突破性进展。 本文对强度级别达85kg的“PU-1”低合金高强度抗SSC钻材新钢种进行了研制。 2 试验材料及方法 2.1 合金成分设计 为获得高强度并具有良好综合力学性能的抗SSC优良的钻材新钢种，在合金成分基础上设计了“PU-1”合金： ①添加Mo、V、Ti、Cr元素强化并提高材料抗SSC性能；②添加Mo、V、Ti、Al元素使过冷奥氏体转变曲线右移，细化晶粒，降低碳的扩散并提高淬透性；③加入稀土元素Re和Ca-Si以改变钢中硫化物形态，尽可能降低钢中的硫含量，以提高抗SSC性能；④控制钢中碳和铝含量在下限，保证焊接性能、抗SSC性能和强度的要求。 用1.5t电弧炉采用氧化法熔炼“PU-1”钢，钢包内加Re并用Ca-Si粉脱氧。 钢水经镇静后用石墨渣保护浇注成方锭，经火焰清理送加热炉加热，然后开坯顶管，经快速调质机组调质后攻丝。 2.2 “PU-1”钢焊接性能试验方法 “PU-1”钢进行手工电弧焊、闪光焊和热模拟试验。 用AX3-300型设备，选用成分与基体相同的CHH317低氢焊条，将四块“PU-1”钢板对焊。 焊后用X射线探伤仪检验。 用HRJ-2型试验机，对“PU-1”钢进行热模拟试验，试样尺寸为11mm×11mm×100mm。 热模拟试验后做V型缺口冲击试验。 2.3 抗SSC性能试验 在5%NaCl+0.5%HAC的饱和H2S水溶液中对“PU-1”钢及其手工电弧焊和闪光焊试件进行抗SSC性能检验。 3 试验结果 3.1 “PU-1”钢的主要力学性能和显微组织 “PU-1”钢的力学性能见表1。 “PU-1”钢的显微组织见图1～3。 表1 “PU-1”钢的力学性能 Table1 Mechanicalpropertiesof“PU-1”steel 钢种 热处理规范 σs/MPa σb/MPa δ5/% ψ/% aK/J.cm-2 “PU-1” 900℃×30min水淬+710℃×120min 798.7 935.9 15.4 37.6 127.4
图1 “PU-1”钢调质后的显微组织 Fig.1 Microstructureof“PU-1”steelafterquenchingandtempering 回火索氏体 图2 “PU-1”钢奥氏体晶粒度 Fig.2 Austenitegrainsizeof“PU-1”steel 晶粒度 8～9级 图3 “PU-1”钢夹杂物形貌 Fig.3 Inclusionsmorphologyof“PU-1” 硫化锰、铁固溶体、铝的氧化物等夹杂 3.2 “PU-1”钢焊后熔敷金属化学成分及力学性能 焊缝经X射线探伤仪检验未发现裂纹、气泡、未焊透等缺陷，达到Ⅰ级。 焊后熔敷金属化学成分及力学性能见表2。 焊缝力学性能见表3、4。 表2 CHH317焊条焊后熔敷金属力学性能及化学成分 Table2 MechanicalpropertiesandchemicalcompositionofCHH317weldingwireremeltedalloycoatings 合金 化学成分/% σb/ MPa σs/ MPa δ5/ % C Si Mn P S Cr Mo V 熔敷金属 0.07 0.40 0.70 0.02 0.01 1.10 0.50 0.20 620.0 520.0 23.0
表3 电弧焊焊缝力学性能 Table3 Mechanicalpropertiesofmanualmetalarcwelding 钢号 编号 σs/ MPa σb/ MPa δ5/ % ψ/ % aK（焊缝）/ J.cm-2（V型） aK（热影响区）/ J.cm-2（V型） aK（热影响区）/ J.cm-2（U型） 冷弯 注 “PU-1” 1 700.0 792.8 11.6 49.1 82.32 66.64 77.42 合格 焊后均作调质处理 “PU-1” 2 668.4 716.4 8.1 32.9 115.64 49.98 85.26 合格 分别切割加工成拉 “PU-1” 3 690.9 788.9 8.1 36.7 67.62 53.90 67.62 合格 （焊缝） 伸、冲击和SSC试样
表4 闪光对焊力学性能 Table4 Mechanicalpropertiesofflashingwelding 钢号 编号 热处理 σ0.2/ MPa σs/ MPa σb/ MPa δ5/ % ψ/ % aK（焊缝）/ J.cm-2（V型） “PU-1” 1 锻态 — — 1033.9 14.0 53.6 “PU-1” 2 锻态 760.5 — 901.0 14.4 51.0 “PU-1” 3 锻态 976.1 — 1088.4 3.2 4.4 “PU-1” 4 调质态 — 741.9 784.0 10.0 42.2 48.02 “PU-1” 5 调质态 — 732.1 902.6 12.0 37.6 46.06 “PU-1” 6 调质态 — 771.3 771.3 5.6 10.0 42.14
3.3 热模拟试验 不同加热温度、加热时间和冷却时间热模拟试验结果见表5。 表5 热模拟试验结果 Table5 Testresultsofheatsimulation 试样编号 最高加热温度/℃ 加热时间/ s 冷却时间/ s aK（V型）/ J.cm-2 设定温度/ ℃ 加热速度/ ℃.s-1 修正前 修正后 “PU-1”-A1 1260 1240 7.93 15.0 11.76 1250 150 “PU-1”-A2 1260 1240 7.80 15.6 23.52 1250 150 “PU-1”-A3 1260 1240 7.90 15.9 21.56 1250 150 “PU-1”-F1 1255 1250 8.01 28.87 21.56 1250 150 “PU-1”-F2 1255 1250 7.76 28.68 20.58 1250 150 “PU-1”-F3 1255 1255 8.13 24.40 21.56 1250 150 “PU-1”-B1 975 965 6.71 15.50 24.50 950 150 “PU-1”-B2 962 950 6.88 15.10 22.54 950 150 “PU-1”-B3 960 950 6.62 15.60 16.66 950 150 “PU-1”-L1 950 945 7.13 27.50 28.42 950 150 “PU-1”-L2 960 955 7.55 28.92 22.54 950 150 “PU-1”-L3 940 938 7.00 28.42 29.40 950 150 “PU-1”-C1 820 800 7.01 16.45 31.36 800 100 “PU-1”-C2 800 800 7.05 16.81 19.60 800 100 “PU-1”-C3 800 780 8.43 16.92 49.98 800 100 “PU-1”-N1 800 798 7.11 32.42 26.46 800 100 “PU-1”-N2 795 793 7.49 31.00 16.66 800 100 “PU-1”-N3 805 803 7.96 33.00 87.22 800 100
3.4 抗SSC性能 “PU-1”钢及其手工电弧焊和闪光焊的抗SSC性能结果见表6和图4。 表6 “PU-1”钢及其手工电弧焊和闪光焊的抗SSC性能 Table6 StressSSCpropertiesof“PU-1”steelandmanualmetal arcweldingandflashingwelding 试样 热处理规范 试样直径/ mm σs/ MPa 恒应力 80%σs 介质浓度/ 10-6 断裂时间/ h “PU-1”-A1 900℃×30min水淬+710℃×120min φ4.82 798.70 638.96 2295 1278.5 “PU-1”-A2 900℃×30min水淬+710℃×120min φ5.00 798.70 638.96 2295 1138.0 “PU-1”-A3 900℃×30min水淬+710℃×120min φ4.86 798.70 638.96 2295 1001.0 “PU-1”-B1 900℃×30min水淬+690℃×120min φ4.98 774.20 619.36 2312 982.0 “PU-1”-B2 900℃×30min水淬+690℃×120min φ4.90 774.20 619.36 2312 982.0 “PU-1”-B3 900℃×30min水淬+690℃×120min φ5.00 774.20 619.36 2312 982.0 “PU-1”-C1 900℃×30min水淬+700℃×120min φ5.00 721.28 577.00 2873 966.0 “PU-1”-C2 900℃×30min水淬+700℃×120min φ5.50 721.28 577.00 2873 816.0 “PU-1”-C3 900℃×30min水淬+700℃×120min φ5.00 721.28 577.00 2873 1503.0 “PU-1”焊板 900℃×30min水淬+700℃×120min φ5.00 690.90 552.72 2856 678.1 “PU-1”闪光 900℃×30min水淬+700℃×120min φ5.00 765.38 612.50 2686 698.7 16Mn 热轧 φ5.00 343.00 274.40 2300 72.0
图4 试验钢H2S溶液恒应力（80%σs）拉伸-断裂时间（tf）曲线 Fig.4 TeststeelinH2S-liquorstress（80%σs）tensile-fracturetime（tf）diagram A—“PU-1”-A1、A2、A3；B—“PU-1”-B1、B2、B3；C—“PU-1”-C1、C2、C3； 4 讨论
（1）“PU-1”钢经900℃×30min水淬+710℃×120min回火处理后，具有较高的强度和冲击韧性值（σs=798.7MPa，aK=127.4J/cm2）（表1）；恒载荷抗SSC试验表明，母材、手工电弧焊和闪光对焊接头施加的恒应力均为80%σs（表6），而目前已部分用于气田的16Mn钢σs仅为343MPa，母材施加的恒应力只有56%σs，焊接头（自动焊、电渣焊）施加的恒应力分别为50%σs和46%σs。 可见“PU-1”钢在强度和抗SSC性能方面均远超过16Mn钢。
（2）在含H2S的介质中，因热处理而造成的显微组织差别，能明显影响钢的抗SSC性能。 一般认为在含潮湿的H2S环境中SSC主要是氢脆断裂。 对于材料显微组织与其抗氢脆性能的关系Bastien提出，具有最接近热力学平衡状态的组织对氢的作用最不敏感，这种组织同时也是冲击韧性最好的组织。 “PU-1”钢进行900℃×30min水淬+710℃×120min回火处理后，所得到的高温回火索氏体就是这种组织（图1）。 （3）钢的抗SSC敏感性主要与钢中捕获氢量有关。 即钢中的捕获氢量越少，则抗SSC性能越好。 钢中作为捕获氢原子的“陷井”很多，钢中的一切薄弱环节如夹杂物、晶界、碳化物-基体界面、冷加工硬化（晶格缺陷—位错和空位）、置换原子、三轴应力区等。 而调质态所获得的高温回火索氏体显微组织是具有碳化物分布均匀、“陷井”少、捕获氢量较低的组织，因此“PU-1”钢具有较好的抗SSC性能。 5 结论
（1）“PU-1”钢经900℃×30min水淬+710℃×120min回火调质处理后，不仅具有较高的强度（σs=343MPa），而且母材、手工电弧焊和闪光焊接接头均具有良好的抗SSC性能。 特别是在进行抗SSC性能检验时所施加的恒应力均为80%σs，而将“PU-1”作为结构钢使用时检验其抗SSC性能所施加的恒应力只需50%～60%σs即可。
（2）“PU-1”钢优于国内抗硫管（σs≤686MPa）和16Mn钢（σs＝343.0MPa）。 “PU-”不仅强度高（σs=798.7MPa） |
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