黄建明实战案例专栏 | 【案例60】什么是超级延迟裂纹?

文章来源:微信公众号:航空无损检测
60 什么是超级延迟裂纹

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防止延迟裂纹最有效的做法是:

首先提供一个以人为本的工作环境,一个切实可行的焊接程序,焊丝严格执行24小时的使用期限和防潮保护,加强焊接过程的监控。有条件的话,在出厂时或者进货时就检测焊材,同时告诉焊材厂若出现延迟裂纹就不再使用其产品。能像荷兰人那样做好每一个人应该做到的事情,我保证可以将延迟裂纹减至最少最少。



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本系列专栏案例均在夏紀真老师的网站发布过,经作者本人修改和补充后,由本公众号发布,以满足当下年轻人互联网浏览习惯。

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实战案例专栏 /   案例60

友yanyingjianli在网上发帖说到:请问一下,标准里通常写对于有延迟裂纹的材料,24h后方可进行射线检测。


那么哪些材料的焊接接头会产生延迟裂纹?


查了一下,网上说低合金高强度钢的焊接接头有延迟裂纹,而且延迟裂纹跟三大因素有关:碳当量,接头含氢量,接头的收缩应变


那是不是可以说有延迟裂纹的焊接接头需要根据焊接工艺来评定?同种材料不同种焊接工艺,可能会产生延迟裂纹,也可能不会产生延迟裂纹?


2010年5月我受某公司委托前往荷兰为其生产的大型构件进行第三方验证,因为此构件在交付到荷兰后被业主发现很多横向裂纹,多次电邮和书信来往的交涉,都无法解决问题后,最后被业主强行切割重新在荷兰组装焊接,并且把由此引起的费用和延误的工期一并索取巨额赔偿。


我的客户觉得不可思议,明明是全部检测合格的,而且有业主驻现场和第三方验船师检测过的啊!


为什么交付到国外后才开裂了呢?


他们由于出国签证困难,无法快速地到荷兰去看看,就找到我们前去帮他们看看到底是否真的有这么多的横向裂纹?


我们在现场通过做超声和磁粉检测后,发现的确是看到很多裂纹,有些裂纹在焊缝表面用肉眼都能看见。(见图1)


(图 1 用肉眼都能看到的横向裂纹)


完抽检后,我在荷兰对外国人讲解这种延迟裂纹时,我用「超级延迟裂纹」来形容,远远超出 24、48和72小时后仍在开裂的裂纹,我叫它为「超级延迟裂纹」(super delay crack),因为我发现很多裂纹是交付半年和一年后还在开裂的,而且我还看到当地的一家NDT检测公司的报告从2009年12月和2010年1月份、3月份的报告,发现的裂纹是越来越多和越来越长,到我们到荷兰的5月底时,我再做一次磁粉检测时发现在2米长范围内竟有7条裂纹,而他们的检测报告中却没有发现这么多和这么长裂纹(见图2) ,我问他们为什么之前没有检测出来,他们也感到诧异。


为什么会出现这种超级延迟裂纹呢?


我在香港做了30多年的焊缝检测,还真的没见过几次焊缝中的横向裂纹。


但是,2000年在我所接触到的国内造船业和海洋钢结构行业,发现横向裂纹真是遍地开花,到处都是,我感到奇怪和不可理解


我就开始留意和调查分析了。


(图 2 在2米长范围内有7条纵向和横向裂纹)


过大量的收集资料和现场调查,也到过焊丝厂观看过焊丝的全部生产过程,我找到横向裂纹产生的原因了。


横向裂纹就像人体生癌症一样是不常见的,但是一旦出现就是无可救药的了。


我们老祖宗在创造癌症的癌字时就告诉我们,癌症是通过三个口吃进大量的毒素堆积如山才形成的,也就说不是单一因素造成的。


横向裂纹也是一样,出现大量的错误才形成的。


这三个口来自于母材、焊材和焊接过程


1.母材是Q235和Q345等低碳钢和低合金钢材料;TMCP是最常见提高母材强度的一种最便宜的办法。


TMCP(ThermoMechanicalControlProcess,热机械控制工艺)是通过生产过程中淬硬提高强度的方法,相对低合金钢来说产生裂纹的情况会敏感得多。


2.焊接型式采用埋弧自动焊(SAW)和气体保护半自动焊(MAG);


焊材最多使用的是:埋弧焊用的是AWS A5.20 ER 直径4.0和5.0mm实心焊丝,AWS A5.18 E70-1T直径1.2mm的药芯焊丝,CO2气体保护半自动焊配药芯焊丝,手工操作半自动焊接。


这两种焊接方法的共同之处都是有药剂的(FLUX),延迟裂纹大家都知道其中一个重要原因是氢含量过高,药剂受潮是氢的主要来源,实心焊丝的药剂在外, 药剂可以烘烤干燥,药芯焊丝受潮后却是无法烘干的,所以更容易产生延迟裂纹。


以前用电焊条(药剂在外的实心焊条)的年代可以说横向裂纹是少见的,因为电焊条是可以烘烤干燥的,而且大家都有共识,都知道低氢焊条要烘烤干燥,并且早已习惯使用。


可是现在用了药芯焊丝后却没有人知道它更需要防止受潮,更没有人告诉焊工这种药芯焊丝开封后只有24小时的使用寿命。


3. 焊接过程就更多原因了。用埋弧自动焊焊接管状工件,用钢板圈成管,一条纵向焊缝和一条环向焊缝,大口径的可以内外焊接,这是非常简单和常见的焊接方法,也是很成熟的焊接工艺,以前是很少见到横向裂纹的。


不要说延迟裂纹,有些焊缝在焊接完成之后冷却到常温检测时就已发生裂纹了,并没有超过24小时,奇怪的是30mm厚的钢板,X型坡口双面焊,出现的小横向裂纹多数在离上下表面10mm的位置,打磨后用磁粉跟进检测可看见短而浅的小裂纹,2-5mm长,深度1mm左右。


磨平焊道加强高(余高、焊冠)后,用超声波探头在焊道上扫查可以清楚看到反射回波,而且从一个方向看得到,反向时却不一定能看得到,45°、60°、70°探头各有各的最佳反射面的横向裂纹。


气体保护半自动焊在管状和TKY形的对接焊缝中常见到横向裂纹,有的在表面也有的在不同深度,表面的用磁粉检测,严重的肉眼都能看见,表面下的用超声检测也是可以检测出来的。


最多产生横向裂纹的因素:


应力集中的位置,焊接顺序不当时,母材厚度越厚时,热输入量过大时(过大填充量),碳弧气刨刨过的位置,天气潮湿和寒冷时,焊枪难以靠近时,焊接空间不足时,不熟炼的焊工焊接时,寒冷天预热不足时,坡口表面清洁不良时,返修过和多次返修的位置更容易产生延迟裂纹。


上说了一大堆的原因,那么到底哪一个原因才最重要的原因呢?


我个人认为主要是焊丝方面的防护和使用不当


焊材如果不好,就像我们吃了大量有毒的地沟油,而且是天天吃,您能身体好吗?也像我们吃饭一样,再好的饭菜,如果我们不趁新鲜趁热吃下,留着过夜再吃冷的或者已经变坏了饭菜,哪有不拉肚子的啊!


我们用药芯焊丝就是这样的,平时我们把它曝露在露天的场地任由风吹雨打,而且远远超过24小时的期限,早已是变质的饭菜了,这种变坏了的焊丝大量的焊入焊缝里,它不产生裂纹才出奇!


(图 3 荷兰是用防水罩的)

(图 4 我们是完全裸露的(下雨天))


材方面的问题较少,我把我的经验向几家做海洋钢结构的公司介绍后,他们参照我的办法,控制焊丝的使用方法和现场防潮措施,马上见到效果了,横向裂纹大大减少。


我们再看看荷兰人是怎么控制延迟裂纹的吧!


我在荷兰的项目经理告诉我,荷兰的地理位置是:北边对着北海,寒风剌骨,背面是德国雪山,夏天溶雪顺流而下,也是阴凉阴凉的,而且整个国家很多地方是低于海平面的,他们的船厂肯定是最接近海平面位置的了,到处是河流和沟槽,是一个非常潮湿的国家。


在这种潮湿的环境下进行焊接是最容易产生氢裂的了,所以他们是非常重视防潮工作的。


荷兰人他们是怎样控制延迟裂纹的呢?


首先是把整个构件用一种塑料布罩起来,用标准的可重复使用的钢架支撑起来,上面盖上一种白色的透光不透视的塑料布,就像一个蒙古包把整个构件罩起来,塑料布是可防雨水和雾气的,白色透光可以省电灯照明,蒙古包的最下面是留有空隙的,方便空气流通,靠近蒙古包的侧面上端用小刀切割出可掀起的小窗口,用来排去烟雾,可以按需要来掀开它的大小以调节空气的流通量,上下都有空隙就形成自然的冷热空气对流,烟雾和热气自然排出蒙古包外,还免去用强力的抽气扇和抽气扇运行产生的噪音,这是一种非常科学的方法,而且安全环保又便宜。


他们只会在焊缝两侧有需要预热的位置贴上发热板,并且是有温度控制的,在这种良好的工作环境中进行焊接是很舒服的,我相信任何一个人都会发挥出自己最佳的工作状态。


焊丝的保护!


有天中午吃饭时间我们到达工作的船上,在蒙古包里我看有部半自动气体保护焊机在现场,我好奇地走过去伸手向装有防水罩的焊丝盒摸进去,想看看他们用的是什么焊丝,却发现是空的,里面什么都没有,很是奇怪,就问QC工程师:“怎么里面没有焊丝呢?”


他告诉我,中午吃饭或者休息的时候,焊丝是要放进干燥箱的。


我问他:“是用红外线干燥箱吗?”


他说不是,只是普通的发热线的干燥箱。


我看到一个很普通的铁皮箱,上面写HEATER英文字,打开里面可以看到一个金属制成的大约5kg重的焊丝圈盘支架,上面有块标记写着时间8:30AM(早上)和当天的日期,还有焊工的签名。


他说这些都是焊工每天必须做的事,而且焊丝从真空包开封后无论使用与否,24小时后是不得再使用的了


焊丝超过24小时就有可能受潮,尽管他们在休息时是把焊丝放在干燥箱里的,但是他们是很严格遵守焊丝厂的指引的,超过24小时就决不再用。


在这方面,我们中国人是很少人会这么做的了,我们的焊工包括焊接工程师恐怕没几个人知道,焊丝的使用寿命只有24小时


他们为什么只用 5kg 包装的焊丝呢?


因为这样才不会造成浪费,保证一天内的工作量可以用完。


为什么不用塑料做焊丝圈盘支架呢?


是因为环保要求可重复使用,我们却制造了一大堆塑料垃圾。


一次,我在焊接现场看到一位黑人焊工,我问他这部焊机的保养(HOUSE KEEPING)是谁做的?


他指着自己说是:“是我。”


我看到焊道的旁边有一个焊接顺序图,清清楚楚地标明每道焊缝的位置和下一道接头的位置是阶梯状的(每道焊缝的接头位置不能在同一位置,应该是错开形成斜面排列形式,就像砖墙的搭接一样)。


我问他这图是谁画的,他说是焊接工程师事先在现场用记号笔画的


看看人家的焊接工程师是多么仔细,这样的简单示意图任何一个合格的焊工照着做就行了。


我看国内很少有这么详细的做法了。


毫不留情的质检!


另外,QC工程师带我们前去看他们做过的构件,我看到车间的地上放着三块已按标准圆弧弯曲好的工件,上面写着REJECT/WORNG BEVEL(拒收/坡口错误)。


原来标准要求是K型坡口,两侧都是45°,现在是一侧45°而另一侧不到45°,因此就给判废了。


我问焊接工程师为什么要求这么严格,他说只有两侧坡口对称才好控制焊接变形


弯曲成弧形的构件架上工作胎架台上,并在地面上画好样式和垂下铅垂线(船厂经常用的方法,把样式 1:1图样放在地面上,在其上方架设工作胎架台,然后将工件放在一个胎架上进行焊接,将工件上对应的位置用铅垂垂线对准地面的图样上,用来监控焊接过程中的焊接变形),分4个焊工两边交替焊接,在焊接的过程中若发现向对面偏离就要对面暂停焊接,待回到正确位置时再接着焊接。


我们却认为坡口尽可能是越小越好,大钝边小坡口减少填充料越快越好。


我们还看到两件已经焊接好并且超声和磁粉检测合格的构件写着REJECT/DISTORSION(拒收/变形),30米直径的工件,分割成13件,每件约6-7米长,却有2件给自己的QC工程师判废了,而且当时是赶工期,早已超过时限了。


这要是在国内谁敢这样做!


构件变形就用打火的方法把它打回来,美其名叫「打火校正」(用气焊火焰加热构件变形处再敲击校正),其实这种「打火校正」会造成构件强大的内应力, 是很容易产生裂纹的,即使当时不开裂,将来使用时肯定会产生金属疲劳的。


在香港和国外是不轻易打火校正的,应该是焊接之前就要估计好防止变形,而且在焊接的过程中严格控制变形,决不能等焊接完成后才考虑变形问题


这些细节我们是没有考虑到的,出现了变形后就强行打火校正,再好的材料这样千锤百练后都给打坏了。


总结


防止延迟裂纹最有效的做法是:


首先提供一个以人为本的工作环境,一个切实可行的焊接程序,焊丝严格执行24小时的使用期限和防潮保护,加强焊接过程的监控。


有条件的话,在出厂时或者进货时就检测焊材,同时告诉焊材厂若出现延迟裂纹就不再使用其产品。


能像荷兰人那样做好每一个人应该做到的事情,我保证可以将延迟裂纹减至最少最少。


关于作者



黄建明长期从事在役无损检测技术工作近40年。任职于香港安捷材料试验有限公司,北京理工大学珠海学院“应用物理(无损检测方向)”本科专业兼职教授。美国焊接学会会员,美国无损检测学会会员,中国机械工程学会会员暨无损检测分会理事。英国焊接和无损检测人员考试发证章程(CSWIP)焊接检验督察,英国无损检测人员考试发证章程(PCN)II级焊缝射线照相评片员,美国焊接学会(AWS)高级焊接检验督察,AWS焊接导师,美国无损检测学会(ASNT)NDT检验师-UT、RT、MT、ET III级(高级)技术资格,中国机械工程学会无损检测分会RT、UT 3级(高级)技术资格。


联系方式:

邮箱:kmwong@aes.hk

公司:香港安捷材料试验有限公司 


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