浅析核电模块制造中的线性磁痕显示

王 伟 邢飞龙 李守彬

山东核电设备制造有限公司 山东 海阳 265118

0 引言

第三代压水堆核电AP1000在设计上采用了大量的模块化施工技术。 模块材质主要以碳钢为主，其制造连接全部采用焊接成型，技术要求对此类焊缝表面均采用磁粉检测。

磁粉检测是铁磁性材料工件被磁化后，在不连续性处或磁路截面变化处产生漏磁场，利用漏磁场吸附磁粉形成磁痕显示，是检测铁磁性材料表明和近表面缺陷的的可靠方法。在核电模块制造中主要验收依据为：AWS D1.1和ASME Ⅲ卷，要求焊缝不允许任何条状缺陷， 主要包括危害性极大的裂纹、未融合、未焊透、条形夹渣等。正确的对线性磁痕特征进行分析，从而判断条形缺陷的类型将对焊缝的焊接质量提供保障。

1 线性磁痕特征性分析

1.1 裂纹

在焊接过程中由于工艺、材料、焊材和焊缝内部冷却速度快慢不同；母材金属含碳量或硫、磷含量过高时；以及焊接材料中合金元素、硫磷含量高等诸因素引起焊接接头中局部区域的金属原子结合力遭到破坏，形成新的界面而产生的缝隙称为焊接裂纹。按裂纹的产生温度分为焊接热裂纹和焊接冷裂纹。

1）热裂纹

焊接过程中热裂纹发生于焊缝金属凝固末期，其敏感温度区在固相线附件（1100～1300°C），因此露出工件表面的热裂纹断裂具有氧化膜。在核电模块制造焊接中，引起热裂纹的主要原因有：（1）焊接金属冷凝到固相线温度范围内，冷却收缩过大；（2）焊材中的有害物质焊接冷却时聚集在晶界，使得在焊缝区域的强度和塑性降低，在晶界处产生裂纹并沿晶界扩展；（3）模块结构复杂，在一些小范围内存在多条焊缝，致使焊接过程应力集中收缩变形大冷却速度不当等。

热裂纹一般产生于应力集中部位，其长度大小不一，多出现在表面或近表面。 核电模块焊缝磁粉检测中主要磁痕特征：①磁痕清晰而不浓密（热裂纹浅而细小）， 在焊缝表面磁痕常呈现不规程网状或星辐射状见图1所示； ②热裂纹磁痕两端呈现尖角不规则形状见图2，热裂纹磁痕常呈现非连续性；③改变磁化方向或电流大小磁痕变化较明显；④热裂纹一般情况下深度较浅，稍加打磨就可去除。

图1 网状热裂纹磁痕

图2 纵向热裂纹磁痕

2）冷裂纹

冷裂纹一般在焊后冷却至100～300°或更低温度下过产生，焊缝金相组织向马氏体转变。 冷裂纹可能焊后立即出现，也可能几小时或几天甚至更长的时间内出现，这类冷裂纹又称为延迟裂纹，具有很大的危险性。 延迟裂纹多发生在热影响区，少数发生在焊缝上。 核电模块制造中常用SA517 GR.B和A572 GR.50等低合金高强度钢常出现延迟裂纹见图3所示，检测时机安排在焊后48小时。此类钢材产生焊接冷裂纹主要原因：（1） 由于通过加入提高淬透性合金元素，提高强度和塑性。 由于淬透性的增加，连续冷却转变过程中，冷裂倾向变大，在焊缝中存在淬硬组织；（2） 焊接过程中未严格按工艺要求进行焊接（如焊接湿度、温度、焊材烘干等条件不符合工艺）， 使焊缝中有较高的氢含量或较大的残余应力，最常见的就是延迟裂纹；（3）焊接热处理工艺要求不当，焊前加热和焊后保温等。

图3 SA517 GR.B延迟裂纹磁痕

冷裂纹一般发生在应力集中部位，其走向是穿晶延展，少数是延晶扩展，容易引起脆断，危害极大。冷裂纹断口无氧化膜，断口颜色呈现亮色，在焊缝上多数是纵向且产生的裂纹深而粗大。所呈现的主要磁痕特征为： ①由于冷裂纹一般是穿晶断裂，磁痕形状显示较规则，趋于直线状；②由于焊缝冷裂倾向大，所产生的冷裂缝深度较深，磁痕浓密清晰；③磁痕始端和末端皆是呈现尖角，且磁痕一般是连续。

1.2 未熔合

未熔合是指焊缝与母材金属，或焊缝金属层间未熔化结合在一起。按其在焊缝所在部位分为坡口未熔合、层间未熔合、根部未熔合。在核电模块制造焊接中大多焊缝为全熔透焊，容易忽略焊缝端口的检测，在此主要讨论焊缝端口未熔合。 焊缝端口部位由于是起弧和收弧部位，焊接参数变化大，容易产生坡口和层间未熔合。坡口未熔合焊缝金属与母材金属未熔合一起，其磁痕特征表现为磁痕清晰浓密沿坡口常呈现连续直线状。层间未熔合是由于上下焊道金属未熔合一起，磁痕清晰多数呈两端尖角的“月牙”型见图4。

图4 焊缝端口层间未熔合磁痕

1.3 未焊透

未焊透是由于焊接过程中电流过小，速度过快，坡口角度小以及钝边太厚间隙小等造成。 在模块制造中的单V型坡口背部清根的焊缝中常出现，属于近表面缺陷，容易与非相关显示混淆。磁粉检测中磁痕松散，较宽，轮廓不清晰见图5；检测中不容易判断， 一般需要对焊缝表面稍磨后再检测判定。

图5 未焊透磁痕

1.4 条形夹渣

夹渣是指焊缝焊接过程中熔池内固体物质（金属或非金属）未来得急浮出而残留在焊接金属内的焊渣形成的缺陷。夹渣分为点状、块状和条状夹渣，模块焊缝中常呈现表面开口缺陷， 磁痕浓密清晰；而在近表面的磁痕宽度较大，磁痕松散。

2 结论

核电模块制造不允许存在线性缺陷，根据各类线性缺陷磁痕所产生的部位、磁痕形状，磁痕密度等来区分各类缺陷是可行的。从而结合现场生产检测正确的分析各类线性缺陷产生的原因。有助于焊接工艺和焊缝返修工艺的改进，减少生产成本和提高生产效率。

［1］张文钺.焊接冶金学（基本原理）［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［2］赵熹华.焊接检验［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［3］宋志哲.磁粉检测［M］.北京：中国劳动社会保障出版社，2007.