焊接裂纹（精选10篇）
焊接裂纹 篇1
裂纹是焊接结构中最危险的一种缺陷, 不仅会使产品报废, 而且还可能引起严重的人身设备事故。在焊接过程中出现的裂纹形式是各种各样的的, 有的裂纹出现在焊缝表面, 肉眼就能观察到;有的隐藏在焊缝内部, 只有通过探伤检查才能发现。有的裂纹产生在焊缝中, 有的产生在热影响区中。平行于焊缝的裂纹称为纵向裂纹, 垂直于焊缝的裂纹称为横向裂纹, 而产生于收尾处弧坑的裂纹称为火口裂纹或弧坑裂纹。根据裂纹产生的情况, 可把焊接裂纹归纳为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹和层状裂纹。下面主要讨论常见的热裂纹和冷裂纹。
1 热裂纹
1.1 热裂纹的特征
热裂纹是焊接过程中, 焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近高温区产生的裂纹。热裂纹多贯穿在焊缝表面, 并且断口被氧化, 呈氧化色。一般热裂纹宽度约为0.05~0.5mm, 末端略呈圆形;热裂纹大多产生在焊缝中, 有时也出现在热影响区;热裂纹的微观特征一般是沿晶界开裂, 所以又称晶间裂纹。
1.2 热裂纹产生的原因
由于焊接过程是一个局部加热的过程, 焊接熔池在结晶过程中存在着偏析现象, 偏析出的物质多为低熔点共晶体和杂质。在开始冷却结晶时, 晶粒刚生成, 液态金属比较多, 流动性比较好, 可以在晶粒间自由流动, 而在焊接拉应力造成的晶粒间的间隙都能被液态金属填满, 所以不会产生热裂纹。当温度继续下降, 柱状晶体继续生长。由于低熔点共晶体的熔点低, 往往是最后结晶, 在晶界以“液体夹层”形式存在, 这时焊接应力已增大, 被拉开的“液体夹层”产生的间隙已没有足够的低熔点液体金属来填充, 因而就形成了裂纹。如果没有低熔点共晶体存在, 或者数量很少, 则晶粒与晶粒之间的结合比较牢固, 虽然有拉应力作用, 仍不会产生裂纹。由此可见, 拉应力是产生热裂纹的外因, 晶界上的低熔点共晶体是产生热裂纹的内因, 拉应力作用在低熔点共晶体处的晶界上而造成裂纹。
1.3 防止热裂纹的措施
1) 降低母材和焊丝的含硫量。对碳钢和低合金钢来说, 含硫量应不大于0.025~0.045%;对于焊丝来说, 含硫量一般不大于0.03%;焊接高合金钢用的焊丝, 其含硫量则不大于0.02%。2) 降低焊缝的含碳量。通过实践得知, 当焊缝金属的含碳量小于0.15%时, 产生裂纹的倾向就小。3) 提高焊丝的含锰量。锰能与Fe S作用生成Mn S。Mn S的熔点比较高, 不会与其他元素形成低熔点共晶体, 所以可降低硫的有害作用。一般在含锰量低于2.5%时, 锰均可以起到有益的作用。4) 加变质剂。在焊缝中加入钛、铝、锆、硼或稀土金属铈和镧等变质剂可起到细化晶粒的作用, 有利于消除热裂纹。5) 形成双向组织。如铬镍奥氏体不锈钢焊接时, 当焊缝形成奥氏体加铁素体 (<5%) 的双向组织时, 不仅打乱了奥氏体相的方向性、使焊缝组织变细, 而且提高了焊缝的抗裂性能。6) 采用适当的工艺措施。如选用合理的成形系数;选择合理的焊接顺序和焊接方向, 对焊件采用焊前预热和焊后缓冷也可以有效地减小焊接应力, 防止热裂纹的产生。采用多层多道焊, 避免偏析集中在焊缝中心, 防止中心线裂纹。7) 采用碱性焊条和焊剂。由于碱性焊条和焊剂脱硫能力强, 脱硫效果好, 抗热裂性好, 生产中对热裂纹倾向较大的钢材, 一般都采用碱性焊条和焊剂进行焊接。
2 冷裂纹
2.1 冷裂纹的特征
冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度时产生的裂纹。冷裂纹和热裂纹不同, 冷裂纹可以在焊后立即出现, 也可以延迟几小时、几周, 甚至更长的时间以后产生, 所以冷裂纹又称为延迟裂纹。冷裂纹大多产生在母材或母材与焊缝交界的熔合线上, 冷裂纹一般为穿晶裂纹。冷裂纹有焊道下冷裂纹、焊趾冷裂纹和焊根冷裂纹三种形式。
2.2 冷裂纹产生的原因
冷裂纹主要发生在中碳钢、高碳钢、低合金或中合金高强度钢中。产生冷裂纹的主要原因有三个:即钢的淬硬倾向;焊接应力;较多的氢的存在和聚集。这三个因素共同存在时, 就容易产生裂纹。一般钢的淬硬倾向越大, 焊接应力越大, 氢的聚集越多, 越易产生冷裂纹。在许多情况下, 氢是诱发冷裂纹的最活跃的因素。在焊接过程中, 高温的焊缝金属中存在较多的氢, 由于焊缝金属含碳量通常较母材低, 从铁碳合金相图可知, 冷却时焊缝金属较热影响区先发生相变, 由奥氏体转变为铁素体、珠光体等。由于氢在奥氏体中的溶解度较铁素体大, 所以相变时, 氢的溶解度突然降低, 氢就会迅速从焊缝越过熔合线向热影响区扩散, 又由于氢在奥氏体中的扩散速度较小, 因此, 氢不能很快扩散到距熔合线较远的母材中去, 而在熔合线附近形成富氢带。在随后的冷却过程中, 热影响区的奥氏体转变为马氏体, 氢便以饱和状态存在于马氏体中, 当热影响区存在显微缺陷时, 氢便会在这些缺陷处聚集, 并由原子状态转变为分子状态, 造成很大的局部应力, 再加上焊接应力的作用, 促使显微缺陷扩大, 从而形成裂纹。总之, 氢、淬硬组织和应力这三个因素是导致冷裂纹的主要原因, 在不同的情况下, 三者中有一种是主导的因素。例如一般低碳低合金高强度钢中, 虽有高的淬透性, 但低碳马氏体组织对氢的敏感性不十分大, 可是当氢含量达到一定数值时, 仍产生了裂纹, 此时冷裂纹的主要原因是氢。对于中碳高强度合金钢, 具有高的淬硬性, 而淬硬组织有高的氢脆敏感性, 此时的主要原因为淬硬组织。有如当焊根有未焊透或咬边等缺陷, 以及余高截面变化很大, 存在较高的应力集中区, 则应力就成为主要因素。
2.3 防止冷裂纹的措施
1) 焊条焊剂应严格按规定进行烘干, 随用随取。保护气体控制其纯度, 严格清理焊丝和工件坡口两侧的油污、铁锈、水分, 控制环境湿度等。2) 合理选用焊接材料。选用碱性低氢型焊条, 可减少带入焊缝中的氢。采用不锈钢或奥氏体镍基合金材料做焊丝和焊芯, 因为在焊接高强度钢时, 这些合金的塑性较好, 可抵消马氏体转变时造成的一部分应力, 而且这类合金均为奥氏体, 氢在其中的溶解度高, 扩散速度慢, 使氢不易向热影响区扩散和聚集。3) 改善焊缝金属的性能, 加入某些合金元素以提高焊缝金属的塑性, 例如使用新结507Mn V焊条, 可提高焊缝金属的抗裂性能。此外, 采用奥氏体组织的焊条焊接某些淬硬倾向较大的低合金高强度钢, 可有效地避免冷裂纹的产生。4) 选用合理的装焊顺序。合理的装焊顺序、焊接方向, 可以改善焊件的应力状态, 降低焊接应力。5) 正确地选择焊接工艺参数, 采取预热、缓冷、后热以及焊后热处理等工艺措施, 以改善焊缝及热影响区组织、去氢和消除焊接应力。
参考文献
[1]焊工工艺学.
[2]焊工工艺与技能.
[3]焊工工艺与技能训练.
[4]焊工技能训练.
焊接裂纹 篇2
焊接裂纹是一种非常严重的缺陷，结构的破坏多从裂纹处开始，在焊接过程中要采取一切必要的措施防止出现裂纹，在焊接后要采用各种方法检查有无裂纹。一经发现裂纹，应彻底清除，然后给予修补。
焊接裂纹有热裂纹、冷裂纹。
焊缝金属由液态到固态的结晶过程中产生的裂纹称为热裂纹，其特征是焊后立即可见，且多发生在焊缝中心，沿焊缝长度方向分布。热裂纹的裂口多数贯穿表面，呈现氧化色彩，裂纹末端略呈圆形。产生热裂纹的原因是焊接熔池中存有低熔点杂质(如FeS等)。由于这些杂质熔点低，结晶凝固最晚，凝固后的塑性和强度又极低。因此，在外界结构拘束应力足够大和焊缝金属的凝固收缩作用下，熔池中这些低熔点杂质在凝固过程中被拉开，或在凝固后不久被拉开，造成晶间开裂。焊件及焊条内含硫、铜等杂质多时，也易产生热裂纹。
防止产生热裂纹的措施是：一要严格控制焊接工艺参数，减慢冷却速度，适当提高焊缝形状系数，尽可能采用小电流多层多道焊，以避免焊缝中心产生裂纹；二是认真执行工艺规程，选取合理的焊接程序，以减小焊接应力，
焊缝金属在冷却过程或冷却以后，在母材或母材与焊缝交界的熔合线上产生的裂纹称为冷裂纹。这类裂纹有可能在焊后立即出现，也有可能在焊后几小时、几天甚至更长时间才出现。
冷裂纹产生的主要原因为：
1)在焊接热循环的作用下，热区生成了淬硬组织；
2)焊缝中存在有过量的扩散氢，且具有浓集的条件；
3)接头承受有较大的拘束应力。
防止产生冷裂纹的措施有：
1)选用低氢型焊条，减少焊缝中扩散氢的含量；
2)严格遵守焊接材料(焊条、焊剂)的保管、烘焙、使用制度，谨防受潮；
3)仔细清理坡口边缘的油污、水份和锈迹，减少氢的来源；
4)根据材料等级、碳当量、构件厚度、施焊环境等，选择合理的焊接工艺参数和线能量，如焊前预热、焊后缓冷，采取多层多道焊接，控制一定的层间温度等；
5)紧急后热处理，以去氢、消除内应力和淬硬组织回火，改善接头韧性；
钢结构焊接裂纹的原因及防治措施 篇3
关键词：钢结构；热裂纹；冷裂纹；预防措施
前 言
焊接裂纹是钢结构在制造过程出现的危害最严重的缺陷，我公司主要承担为安阳钢铁备件制造、安装及系统检修，在钢结构的制造过程中，有时焊缝会出现焊接裂纹，给工程施工带来一定的影响，具体表现在：裂纹能引起严重的应力集中，降低焊接接头的承载能力，任其发展的话最终会导致焊接结构的破坏，降低工程质量，缩短结构寿命，严重时可能造成安全事故，间接延误工期并增加施工成本，影响公司的形象，所以说裂纹在钢结构的制造过程中一经发现必须彻底清除，进行修补，确保产品质量.以下对钢结构制造过程中裂纹产生的原因及其防治措施进行分析，供大家参与.
1.内在原因分析及相应的预防措施
一般焊接裂纹按其产生的温度和时间分为热裂纹、冷裂纹和再热裂纹
1.1.热裂纹
热裂纹是指在焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区时产生的裂纹，故又称为高温裂纹.其产生的原因是由于焊接熔池在结晶过程中存在偏析现象，偏析出的物质多为低熔点共晶和杂质.它们在结晶过程中以液态间层形式存在，凝固以后的强度也较低，当焊接应力足够大时就会将液态间层或刚凝固不久的固态金属拉开形成裂纹.此外如果母材的晶界上也存在低熔点共晶和杂质，则在加热温度超过其熔点的热影响区，这些低熔点化合物将熔化而形成液态间层，在一定条件下，焊接应力足够大时也会被拉开形成所谓热影响区液化裂纹.总之，热裂纹的产生是冶金因素和力学因素共同作用的结果.热裂纹特征是：多贯穿在焊缝表面，且断口被氧化成氧化色.它主要的表现形式：纵向裂纹、横向裂纹、根部裂纹、弧坑裂纹及热影响区裂纹.针对其产生的原因采取以下预防措施：a）限制钢材和焊材中的硫、磷元素的质量分数.b）改善熔池金属的一次结晶，细化晶粒提高焊缝金属的抗裂性：广泛采用的方法是向焊缝金属中加入细化晶粒的元素.c）控制焊接工艺参数，适当提高焊缝成型系数：可采用多层多道焊法，避免中心线偏析，可防止中心线裂纹.
1.2.冷裂纹
冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度时产生的焊接裂纹.它与热裂纹不同，是在焊后较低温度下产生的，可以焊后立即出现，有时要经过一段时间才能出现，这种拖后一段时间才能出现的裂纹也称为延迟裂纹.冷裂纹主要发生在中碳钢、高碳钢、低合金钢或中合金钢中，产生的原因主要有三个因素：1）钢的淬硬倾向大；2）焊接接头受到的拘束应力；3）较多的扩散氢的存在和浓集.这三个条件同时存在时，就容易产生冷裂纹.在许多情况下，氢是诱发冷裂纹的最活跃的因素.冷裂纹的特征是断裂表面没有氧化色彩，这表明与热裂纹不一样，它多产生在热影响区或热影响区与焊缝交界的熔合线上，但也有可能发生在焊缝上.防止冷裂纹主要从降低扩散氢含量、改善组织和降低焊接应力等几方面解决，主要的措施有：a）选用低氢型焊条，可减少焊缝的氢.b）焊条焊剂应严格按照规定进行烘干，碱性焊条要求300～350℃，烘熔1～2h；酸性焊条要求100～150℃，烘熔1～2h；熔炼焊剂要求200～250℃，烘熔1～2h； 烧结焊剂要求200～250℃，烘熔1～2h.随取随用，严格清理焊丝和工件坡口两侧的油绣，水分，控制环境温度.c）改善焊缝金属的性能，加入某些合金元素以提高焊缝金属的塑形.d）正确选用焊接工艺参数、预热、缓冷、后热以及焊后热处理等，以改善焊缝及热影响区的组织，去氢和消除焊接应力.e）改善结构的应力状态，降低焊接应力等.
1.3.再热裂纹
再热裂纹是焊后焊件在一定温度范围再次加热（消除应力热处理或其他加热过程）而产生的裂纹，也称为焊后热处理裂纹或消除应力回火裂纹.在热裂纹具有晶界断裂的特征，大多发生在应力集中部位.它产生的原因一般认为是在再次加热时，在第一次加热过程中过饱和和固溶的碳化物再次析出，造成晶内强化，使滑移应变集中于原先的奥氏体晶界，当晶界的塑形盈利能力不足以承受松弛应力过程中所产生的应变时，就会形成再热裂纹.控制在热裂纹的措施是：a）减小焊接应力和应力集中，如提高预热温度、焊后缓冷、使焊缝与母材平滑过渡等；b）在满足设计要求的前提下，选择适当的焊接材料，使焊缝的强度稍低于母材，让应力在焊缝中松弛；c）在保证室温接头强度的情况下，提高消除应力退火温度，致使析出比较大有碳化物粒子，以改善高温延性.
2.外在原因及应对措施
焊接裂纹除以上工艺和原材料方面的原因外，人的因素和环境条件也是很关键的外因.如在实际焊接过程中，对以上产生焊接裂纹的原因及预防措施重视不够，制定的焊接工艺不详细过于简单，或操作人员责任心不强，不严格按照焊接工艺卡的要求实施；焊接工程师较少，在焊接过程中缺少焊接专业监督指导，对焊接后出现的问题不能及时处理；现场管理混乱，对原材料缺乏严格的质量检验制度而误用不合格材料或用错不同材料的钢材；天气气温低，没能按照要求进行预热、保温缓冷措施；不应涂漆的部位进行了油漆，部分施焊人员未经培训等种种原因导致有些预防措施不能落实到位，偶尔仍会出现个别裂纹.
3.实践效果
通过对钢结构焊缝裂纹产生的原因进行深入的分析，了解了其预防措施，理论联系实际，基本上掌握了控制焊缝裂纹的方法，如2011年在安钢3号高炉热风炉制造过程中，炉壳板（Q345）对接焊缝经无损检测发现有裂纹现象，经分析：冬季施工环境温度低，板材厚度较大，预热及层间温度措施不当，将原来的烤枪火焰预热改为自动控温热电偶加热，解决了出现裂纹的现象。
4.结论
经实践证明钢结构焊接时，按照以上分析的情况，严格执行相关的规定、规程，基本上可以避免裂纹的产生，实践效果良好.
参考文献：
[1]殷长福. 简论钢结构焊接质量控制[J]. 中国石油和化工标准与质量， 2011，（09） .
[2]刘锡山. 浅析高层钢结构的施工及焊接技术[J]. 中小企业管理与科技（上旬刊）， 2011，（05） .
焊接裂纹 篇4
1 铝合金材料特点
铝是银白色的轻金属, 具有良好的塑性、较高的导电性和导热性, 同时还具有抗氧化和抗腐蚀的能力。铝极易氧化产生三氧化二铝薄膜, 在焊缝中容易产生夹杂物, 从而破坏金属的连续性和均匀性, 降低其机械性能和耐腐蚀性能。
2 铝合金材料的焊接难点
极易氧化。在空气中, 铝容易同氧化合, 生成致密的三氧化二铝薄膜 (厚度约0.1-0.2μm) , 熔点高 (约2050℃) , 远远超过铝及铝合金的熔点 (约600℃左右) 。氧化铝的密度3.95-4.10g/cm3, 约为铝的1.4倍, 氧化铝薄膜的表面易吸附水分, 焊接时, 它阻碍基本金属的熔合, 极易形成气孔、夹渣、未熔合等缺陷, 引起焊缝性能下降。
易产生气孔。铝和铝合金焊接时产生气孔的主要原因是氢, 由于液态铝可溶解大量的氢, 而固态铝几乎不溶解氢, 因此当熔池温度快速冷却与凝固时, 氢来不及逸出, 容易在焊缝中聚集形成气孔。氢气孔目前难于完全避免, 氢的来源很多, 有电弧焊气氛中的氢, 铝板、焊丝表面吸附空气中的水分等。实践证明, 即使氩气按GB/T4842标准要求, 纯度达到99.99%以上, 但当水分含量达到20ppm时, 也会出现大量的致密气孔, 当空气相对湿度超过80%时, 焊缝就会明显出现气孔。
焊缝变形和形成裂纹倾向大。铝的线膨胀系数和结晶收缩率约比钢大两倍, 易产生较大的焊接变形的内应力, 对刚性较大的结构将促使热裂纹的产生。
铝的导热系数大 (纯铝0.538卡/Cm.s.℃) 。约为钢的4倍, 因此, 焊接铝和铝合金时, 比焊钢要消耗更多的热量。
合金元素的蒸发的烧损。铝合金中含有低沸点的元素 (如镁、锌、锰等) , 在高温电弧作用下, 极易蒸发烧损, 从而改变焊缝金属的化学成分, 使焊缝性能下降。
高温强度和塑性低。高温时铝的强度和塑性很低, 破坏了焊缝金属的成形, 有时还容易造成焊缝金属塌落和焊穿现象。
无色彩变化。铝及铝合金从固态转为液态时, 无明显的颜色变化, 使操作者难以掌握加热温度。
3 铝合金材料焊接的工艺方法
3.1 焊前准备
采用化学或机械方法, 严格清理焊缝坡口两侧的表面氧化膜。
化学清洗是使用碱或酸清洗工件表面, 该法既可去除氧化膜, 还可除油污, 具体工艺过程如下:体积分数为6%~10%的氢氧化钠溶液, 在70℃左右浸泡0.5min→水洗→体积分数为15%的硝酸在常温下浸泡1min进行中和处理→水洗→温水洗→干燥。洗好后的铝合金表面为无光泽的银白色。
机械清理可采用风动或电动铣刀, 还可采用刮刀、锉刀等工具, 对于较薄的氧化膜也可用0.25mm的铜丝刷打磨清除氧化膜。
清理好后立即施焊, 如果放置时间超过4h, 应重新清理。
3.2 确定装配间隙及定位焊间距
施焊过程中, 铝板受热膨胀, 致使焊缝坡口间隙减少, 焊前装配间隙如果留得太小, 焊接过程中就会引起两板的坡口重叠, 增加焊后板面不平度和变形量;相反, 装配间隙过大, 则施焊困难, 并有烧穿的可能。合适的定位焊间距能保证所需的定位焊间隙, 因此, 选择合适的装配间隙及定位焊间距, 是减少变形的一项有效措施。
3.3 选择焊接设备
目前市场上焊接产品种类较多, 一般情况下宜采用交流钨极氩弧焊 (即TIG焊) 。它是在氩气的保护下, 利用钨电极与工件问产生的电弧热熔化母材和填充焊丝的一种焊接方法。该焊机工作时, 由于交流电流的极性是在周期性的变换, 在每个周期里半波为直流正接, 半波为直流反接。正接的半波期间钨极可以发射足够的电子而又不致于过热, 有利于电弧的稳定。反接的半波期间工件表面生成的氧化膜很容易被清理掉而获得表面光亮美观、成形良好的焊缝。
3.4 选择焊丝
一般选用301纯铝焊丝及311铝硅焊丝。
3.5 选取焊接方法和参数
一般以左焊法进行, 焊炬和工件成60°角。焊接厚度15mm以上时, 以右焊法进行, 焊炬和工件成90°角。
焊接壁厚在3mm以上时, 开V形坡口, 夹角为60°~70°, 间隙不得大于1mm, 以多层焊完成。壁厚在1.5mm以下时, 不开坡口, 不留间隙, 不加填充丝。焊固定管子对接接头时, 当管径为200mm, 壁厚为6mm时, 应采用直径为3~4mm的钨极, 以220~240A的焊接电流, 直径为4mm的填充焊丝, 以1~2层焊完。
4 铝合金焊接裂纹的防止措施
根据铝合金焊接时产生热裂纹的机理, 可以从冶金因素和工艺因素两个方面进行改进, 降低铝合金焊接热裂纹产生的机率。
在冶金因素方面, 为了防止焊接时产生晶间热裂纹, 主要通过调整焊缝合金系统或向填加金属中添加变质剂。调整焊缝合金系统的着眼点, 从抗裂角度考虑, 在于控制适量的易熔共晶并缩小结晶温度区间。由于铝合金属于典型的共晶型合金, 最大裂纹倾向正好同合金的"最大"凝固温度区间相对应, 少量易熔共晶的存在总是增大凝固裂纹倾向, 所以, 一般都是使主要合金元素含量超过裂纹倾向最大时的合金组元, 以便能产生"愈合"作用。而作为变质剂向填加金属中加入Ti、Zr、V和B等微量元素, 企图通过细化晶粒来改善塑性、韧性, 并达到防止焊接热裂纹的目的尝试, 在很早以前就开始了, 并且取得了效果。
在工艺因素上, 主要是焊接规范、预热、接头形式和焊接顺序, 这些方法都是从焊接应力上着手来解决焊接裂纹。焊接工艺参数影响凝固过程的不平衡性和凝固的组织状态, 也影响凝固过程中的应变增长速度, 因而影响裂纹的产生。热能集中的焊接方法, 有利于快速进行焊接过程, 可防止形成方向性强的粗大柱状晶, 因而可以改善抗裂性。采用小的焊接电流, 减慢焊接速度, 可减少熔池过热, 也有利于改善抗裂性。而焊接速度的提高, 促使增大焊接接头的应变速度, 而增大热裂的倾向。可见, 增大焊接速度和焊接电流, 都促使增大裂纹倾向。在铝结构装配、施焊时不使焊缝承受很大的钢性, 在工艺上可采取分段焊、预热或适当降低焊接速度等措施。通过预热, 可以使得试件相对膨胀量较小, 产生焊接应力相应降低, 减小了在脆性温度区间的应力;尽量采用开坡口和留小间隙的对接焊, 并避免采用十字形接头及不适当的定位、焊接顺序;焊接结束或中断时, 应及时填满弧坑, 然后再移去热源, 否则易引起弧坑裂纹。对于5000系合金多层焊的焊接接头, 往往由于晶间局部熔化而产生显微裂纹, 因此必须控制后一层焊道焊接热输入量。
对于铝合金的焊接, 母材和填充材料的表面清理工作也相当重要。材料的夹杂在焊缝中将成为裂纹产生的源头, 并成为引起焊缝性能下降的最主要原因。
参考文献
[1]罗树方.焊接手册一一焊接方法及设备 (第二版) 第1篇第5章[M].北京:机械工业出版社, 2001.
焊接裂纹 篇5
关键词：气体保护焊 拘束应力 焊接变形 终端裂纹 焊接热输入 焊接热裂纹
1 概述
1965年，哈尔滨国营建成机械厂生产出我国第一只液化石油气钢瓶，自此液化气作为一种清洁高效的能源，逐渐广泛用于我们的日常生产生活中。随着液化石油气使用越来越普及，由液化石油气引发的安全事故也越来越多，其中由于生产制造原因，钢瓶焊接过程中，存在裂纹、气孔、夹渣等质量缺陷，发生泄露导致灾难性后果的爆炸事故不胜枚举，在我国，市场销售YSP118型液化石油气钢瓶主要使用于饭店、宾馆等公共场所，一旦出现事故，就会造成重大伤亡，YSP118型液化石油气钢瓶由两只封头和筒体通过焊接连接在一起，钢瓶的形状系数决定了筒体纵焊缝轴向应力比环向应力大得多，所以纵缝的焊接尤为重要。
2 液化石油气钢瓶行业筒体纵缝焊接终端裂纹
液化石油气钢瓶行业筒体焊接基本采用埋弧自动焊焊接方法，埋弧自动焊因为焊剂材料的局限性，容易产生气孔、夹渣等质量缺陷，近年逐渐被气体保护焊接取代，气体保护焊接具有焊接效率高、稳定性强等优点，焊接方法的改变，焊接工艺需要进一步的探索，以往很多文献和资料，介绍的都是采用埋弧自动焊工艺时如何防止筒体纵焊缝终端裂纹，关于气体保护焊焊接筒体纵缝工艺基本空白，本文通过分析和试验，制定采用气体保护焊工艺情况下，如何防止纵焊缝终端裂纹的工艺。
2.1 终端裂纹。终端裂纹是指筒体纵焊缝焊接接头的终端安装熄弧板，焊接末段，在熄弧板进行弧坑处理完成后，在接头终端附近焊缝中心部位发生的纵向裂纹。
2.2 裂纹特点。裂纹全部出现于焊缝终端并延伸至引弧板，经X射线检测，裂纹长度为30-60mm，去除引弧板后，终端裂纹长度为10-40mm，裂纹沿焊接方向发生于焊缝中间部位，显微观察裂纹边缘呈现表面氧化而导致颜色变黑，证明裂纹出现在亚固相温度区间，也就是焊缝熔池由液态转变成固态时高温结晶而成。
3 裂纹原因分析
3.1 裂纹的形成机理。焊缝金属的结晶不是瞬时完成的，而是一个在液态金属中不断形成和长大的过程。焊缝金属结晶与温度联系较为紧密。当液态金属的温度逐渐下降至与固相线相重合时，焊缝金属即开始结晶，并持续进行一段时间。在结晶时，焊缝金属的温度会不断降低，同时其形态也会出现一系列变化，焊缝金属先变为液态，再变为液固混合态、固液混合态，最终成为固态，至此整个结晶过程结束。在上述四个变化阶段中，有一段时间内焊缝的塑性降至最低值，在这温度区间内固体结晶所占比例较大，而尚未完全结晶的液态金属零散分布于已结晶的固态结晶体之间。在此情况下，金属体受自身拉力作用，加之其本身抗变形较弱，容易导致其变形集中产生于液态薄膜部分，导致晶体在界线位置出现裂缝。
3.2 影响裂纹的因素。根据裂纹产生的机理分析可以知道，影响裂纹的本质因素有两大类，即冶金因素和应力因素。冶金因素主要是焊缝金属中硫、磷和碳的含量以及熔合比，应力因素包括焊接应力的控制以及焊接前内应力的控制。
3.3 材料分析。筒体钢板材料为HP295专用焊瓶钢，焊丝牌号ER50-6经化验化学成分如下：
根据碳当量计算公式C当量=[C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15]*100% 计算碳当量值为0.25%，可见焊接裂纹倾向性小，焊接性好。拉伸、弯曲力学性能试验合格，焊丝牌号为ER50-6，经检验化学成分符合国家标准要求。因此，筒体母材、焊接材料的选择不是导致裂纹产生的原因。
3.4 应力分析。筒体纵焊缝的焊接主要有两方面的应力：一是筒体卷圆时的加工应力，筒体由长方形钢板经过卷圆机卷制而成，受到加工精度的影响，定位焊时，存在强制组装现象，导致在定位焊道存在较大的拉伸应力和剪切应力。二是焊接时产生的焊接应力。焊接时焊件受到不均匀加热并使焊缝区熔化，焊缝及热影响区钢板热膨胀受到周围冷态材料的制约，产生不均匀的压缩塑性变形。冷却过程中，熔池凝固，焊缝金属收缩也因为制约而产生收缩拉应力和变形。筒体越长，焊接越接近终端时，各种应力叠加使得终端的定位焊焊道应力增加值迅速增大。在应力作用下，熔池金属发生塑性变形，就沿晶界发生开裂，产生裂纹缺陷。
3.5 焊接热输入分析。在进行焊接时，由于气体保护焊接法的热输入量较大，其熔深和熔敷金属量都相应增大，同时其熔池的凝固速度和寒风冷却速度也随之变缓。这就导致焊接时晶粒颗粒偏粗，同时出现偏析情况，大大增加了出现热裂纹的可能性。另外，由于焊缝在横向的收缩度远远小于其焊接间隙的张开度，因此终端部位承受的横向拉伸力也相应增大。
3.6 熄弧板作用和影响。在焊接时，焊缝终端熄弧板具有极其重要的作用，主要表现在：一是保证了焊缝顺利成形，它有效地调节和控制了焊接进度，只有当熔池尾部运行至熄弧板位置时整个焊接活动才会停止。二是起到了焊接拘束的作用。在加热时，只有当最后一个定位焊点温度达到最高值时，其所受拘束力才会充分释放，这就使得焊缝在水平和垂直方向都出现了一定程度的变形，导致筒体在卷圆时的温度承受力发生变化。此时，终端定位焊道已完全熔化，从而减弱焊缝周围的拘束力，造成焊缝强度不足出现裂缝。
4 预防和减少终端裂纹产生的具体措施
4.1 提高卷圆加工精度。卷圆后，筒体间隙控制在0-10mm。为减少组装后的应力，技术人员应根据实际需要适当增加定位焊点。同时，为确保纵缝端部位的灵活性，还应适当控制其焊缝长度，使其长度在50mm及以上，并保证焊缝厚度适宜，不存在质量缺陷。
4.2 适当地加大熄弧板的尺寸。熄弧板必须有足够的尺寸，厚度宜与焊件相同，采用气体保护焊接工艺时，熄弧板长度适当增加20mm。
4.3 严格掌握焊接过程中的热量输入。在焊接时，技术人员要严格掌握整个筒体焊接过程中的热量输入，这一方面有利于保证焊头化学性能的充分发挥，另一方面还可以起到防止裂纹的重要作用。一般地，在焊接过程中，系统焊接电流与焊接热量输入有直接关系。因此，技术人员必须严格控制焊接过程中的热量输入值，以保证整项焊接工作的安全性和稳定性。
4.4 根据需要调整熔池形状，及时把控焊缝形成系数值。除热量输入值之外，熔池形状和焊缝的形成系数值也与焊缝的产生具有直接关系。因此，技术人员还要在焊接时，根据实际需要及时调整熔池形状，并严格掌控其焊缝的形成系数，以防止裂纹的产生，影响筒体使用寿命。
5 试验及结果分析
5.1 筒体焊接时分别采用不同的组装工艺和焊接工艺进行焊接，结果如下：
5.2 统计结果分析：采取预防措施，减小卷圆时的加工应力，增加熄弧板长度，提高定位焊质量，焊接时采用降低电流和电压，减少热输入，可有效防止终端裂纹的出现。
6 结论
液化石油气钢瓶筒体纵焊缝的终端裂纹一直是常见的质量缺陷，多年来一直没有得到很好的解决，尤其是采用气体保护焊代替以往埋弧自动焊焊接方法以来，终端裂纹出现比例进一步增大，本文通过分析和焊接试验，找到了导致终端裂纹的主要原因是应力和温度场二者共同作用的结果，实践证明，通过改进生产工艺，减小焊接过程中的应力影响，适当加大熄弧板长度，严格控制焊接热能量的输入，就能有效防止终端裂纹的出现。
参考文献：
[1]方洪渊.焊接结构学[M].北京：机械工业出版社，2008.4.
[2]刘会杰.焊接冶金与焊接性[M].北京：机械工业出版社，2007.3.
耐热钢管管道焊接裂纹控制 篇6
耐热合金钢是石油化工装置中常见的、应用比较广泛的钢种之一, 其中尤其以铬钼类珠光体耐热钢所占比例最大。这种类型的合金钢以较好的抗氧化性和热强性被各类压力管道、加热炉管所采用, 工作温度一般可达330-350℃, 甚至600℃。其中以Cr5Mo, 15Cr5Mo等最常见。但在实际工作中, 我们发现这类钢种在施焊过程中, 如控制不当, 极易产生焊接裂纹, 影响焊接接头的使用性能。后来经过反复实践和学习, 我们对其焊接性能特点进行了深入了解, 分析了产生裂纹的主要原因, 找到了一些解决问题的方法。
1 珠光体耐热钢焊接裂纹产生的主要原因
珠光体耐热钢焊接裂纹以冷裂纹、热裂纹最为常见, 现在逐一分析其产生原因[1]。
1.1 冷裂纹
冷裂纹主要产生于焊接接头的热影响区。氢的扩散是造成冷裂纹的主要原因。这是由于焊接时, 热影响区母材随温度升高转变成奥氏体。而当焊缝金属随温度降低转变为珠光体时, 热影响区仍为奥氏体。而焊缝中的氢在奥氏体中溶解度大, 于是其便向热影响区扩散, 聚集熔合线附近的奥氏体组织中, 在残余压力作用下, 便在热影响区产生冷裂纹。
1.2 热裂纹
珠光体耐热钢的热裂纹主要产生在焊缝中, 尤其是弧坑处。它是由于焊接中碳、硫、磷等杂质元素的含量过高, 以至与镍等合金元素形成低熔点共晶物, 聚集在晶间处, 在残余压力作生和改善接头的机械性能。
另外对预热和层间温度的有效控制可以减缓焊缝金属和热影响区的冷却速度, 降低接头的淬硬倾向, 有利于氢从焊缝中逸出, 防止冷裂纹产生。
后热处理, 即消氢处理。也能促使氢进一步由焊缝逸出, 防止冷裂纹产生。焊后热处理可以消除应力, 降低接头及热影响区的硬度, 促使氢逸出, 使接头组织稳定, 提高其高温下的使用性能。
3 焊接实践
该工艺在某石化装置规格为Φ152×8的Cr5Mo炉管的焊接中进行了应用, 在遵循以上原则的基础上还根据实际情况在两方面作了改进。
3.1 打底焊的焊接电流调整
由于当时环境温度较低, 层间温度不宜控制, 容易造成冷裂。因此对氩弧焊的电流参数进行了适当的调整, 即在可以控制电弧的前提下, 将电流由100-110A提高至130A左右, 相当于适当提高了线能量。经实践证明, 对保持层间温度以及焊缝金属的熔合, 防止冷裂效果明显。
3.2 焊制坡口过渡层
由于母材及焊材中含有碳、硫、磷等杂质的原因, 使开始时焊接常产生裂纹, 一度影响了焊接质量。后来经过工程技术人员研究, 尝试了坡口过渡层的焊接方法:即在管口打出坡口后, 在坡口上采用氩弧焊焊制一层过渡层, 然后经
(上接44页) 冬季是不宜同时施工的, 一般过打磨处理, 再进行组对焊接。过渡层的采用, 较好地缓解了由于母材成分复杂等原因造成焊缝热裂倾向。以下是此次焦化炉管焊接的各项工艺参数:
氩弧焊打底:焊接电流130-140A, 焊接电压16-20V
手工电弧焊盖面:焊接电流110-115A, 焊接电压22-24V
预热温度:250-300℃
层间温度:≥250℃
后热温度:250-300℃, 0.5小时
焊后热处理:750-780℃, 2小时
(升温速度220℃, 降温速度275℃/h)
热处理后经硬度检测, 硬度值均低于HB245。经射线探伤, 完全符合JB/T4730Ⅱ级要求。
4 结论
几年来, 该工艺在耐热钢管道的焊接实践应用中效果均比较理想, 有效地防止了裂纹的产生, 焊接合格率达到98%以上。说明在焊接规范的控制以及焊接方法运用上比较成功。经过不断完善, 一定会取得更理想的效果。
经安装完的管道里面全部充满水, 再做检查井工
摘要：主要阐述了耐热钢管道焊接裂纹产生的主要原因, 从焊接材料和焊接规范的选择两方面对焊接裂纹的控制机理进行了分析, 并结合工程实例, 对耐热钢管道焊接方法进行描述, 总结出有效防治耐热钢管道焊接裂纹的措施。
关键词：耐热钢,焊接裂纹,焊接工艺
参考文献
[1]周振丰.焊接冶金与金属焊接性[M].北京:机械工业出版社, 1998.
架桥机起重小车焊接裂纹的修复 篇7
1. 分析原因
(1)在“∏”型梁对接焊缝中出现的裂纹具有明显的冷裂纹特征,产生在热影响区的过热区,裂纹平行于熔合线,表面无明显的氧化色彩。冷裂纹的产生原因有:中碳钢和低合金钢等高强度钢的母材本身有较大淬硬倾向,焊缝熔池中溶解了过量的氢,以及在焊接接头过程中产生了较大的应力,从而形成冷裂纹。
(2)起重小车4条主焊缝的坡口以及焊缝区域中残留的油污和水锈在高温下分解出大量的氢,有一部分没有来得及逸出而留在了焊缝金属中,这是产生气孔和冷裂纹的主要原因。
(3)在拼接∏型梁时,为保证结构尺寸和焊接变形控制在设计范围内,对外主梁与中梁采用刚性固定法进行拼接。因焊接结构尺寸大、质量大、焊缝长且多、焊缝截面大、结构复杂刚性大,造成了较大的拘束度,是造成焊接裂纹的重要因素。
(4)该4条主对接焊缝为加垫板焊缝,由于母材板厚达32 mm,坡口角度不合理,在打底焊时没有完全熔透,造成局部焊缝接头强度小,加上整体拘束应力的影响,极可能产生焊接裂纹。
2. 修复工艺
(1)先用碳弧气刨法将焊缝金属全部刨掉,直至焊缝根部露出垫板,保证清除掉两边所有焊缝金属,气刨工艺如表1所示。
(2)在焊缝两端头点固32 mm×50 mm×100 mm的引弧板,并用碳弧气刨法刨出坡口,其宽度及深度和焊缝的相同,长度50～60 mm。
(3)彻底清除焊道两侧15～20 mm以内的水锈、油污、飞溅及熔渣。使用手动砂轮机打磨焊道内、外两侧,使其表面露出金属光泽。
(4)因母材板较厚,焊前须预热。在焊道双侧150～200 mm范围内使用氧一乙炔火焰加热至200℃。
(5)施焊前,先打开混合气瓶阀门,调节气体流量至15～20 L/m in;按表2调节焊接参数,采用多层多道焊,降低线能量,改善焊缝成形;连续施焊,控制层间温度;保证焊透,降低熔深,认真清理每层每道焊缝的熔渣、飞溅;修补凹凸处后,再进行下一层焊接。
(6)焊接完成后,将白石灰覆盖整条焊缝表面,进行保温缓冷处理。
(7)焊后24 h,除去白灰,清理焊缝。按照GB1 1345标准评定不低于BⅠ级,在焊缝全长范围内进行超声波探伤检验。两端200～300 mm段按照GB3323-87标准评定不低于BⅡ级,进行X光射线探伤检测。
(8)全部检查合格后,对工件进行振动时效处理。
浅谈钢材焊接裂纹成因与防治措施 篇8
关键词：钢材,焊接裂纹,成因,防治
钢材在焊接接头中, 由于焊接所引起的各种裂纹, 统称焊接裂纹。焊接裂纹在焊缝金属和热影响区中都可能产生, 是焊接凝固冶金和固相冶金过程中产生最为危险的一种缺陷。焊接结构产生破坏事故大部分都是由焊接裂纹所引起的。
1 裂纹的危害
焊接裂纹种类繁多, 产生的条件和原因各不相同。有些裂纹在焊后立即产生, 有些在焊后延续一段时间才产生。裂纹既出现在焊缝和热影响区表面, 也产生在其内部。它对焊接结构危害影响较大, 主要有以下几方面和危害。
1.1 减少了焊接构件的工作截面, 因而降低了焊接结构的承载能力, 造成结构不能满足正常设计荷载要求, 留下事故隐患。
1.2 构成了严重的应力集中。
裂纹是片状缺陷, 其边缘构成了非常尖锐的切口。具有高的应力集中, 既降低结构的疲劳强度, 又容易引发结构的脆性破坏, 容易引起结构发生突发性事故。
1.3 造成泄露。
用于承受高温高压的焊接锅炉或压力容器, 用于盛装或输送有毒的、可燃的气体或液体的各种焊接储罐和管道等, 若有穿透性裂纹, 必然发生泄漏, 在工程上是绝对不允许的。
1.4 表面裂纹能藏垢纳污, 容易造成或加速结构的腐蚀。
1.5 留下隐患, 使结构变得不可靠。
延迟裂纹产生的不定期性, 以及微裂纹和内部裂纹易于漏检。漏检的裂纹即使很小, 在一定条件下会发生扩展, 这些都增加了焊接结构在使用中的潜在危险。若无法监控便成为极不安全的因素。
2 焊接裂纹的分类
焊接裂纹可以从不同角度进行分, 这里仅从裂纹产生机理方面划分。按焊接裂纹产生机理方面划分, 在裂纹产生的区域上可分为热裂纹 (包括结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹) 、冷裂纹 (包括延迟裂纹、淬硬脆化裂纹、低塑性脆化裂纹等) 、再热裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂纹等5类。本文仅对焊接热裂纹产生机理及防治措施进行阐述。
3 焊接热裂纹
在焊接过程中, 焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区, 所产生的焊接裂纹称热裂纹。焊接热裂纹可分成结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹三类, 但根据各自形态和产生形式的不同, 对结构的危害也有相应的差异。
4 结晶裂纹成因分析与防治
结晶裂纹又称凝固裂纹, 是在焊缝凝固过程的后期形成的裂纹。它是生产中最为常见的热裂纹之一。
4.1 结晶裂纹的一般特征
结晶裂纹只产生在焊缝中, 多呈纵向分布在焊缝中心, 也有呈弧形分布在焊缝中心线两侧, 而且这些弧形裂纹与焊波呈垂直分布。通常纵向裂纹较长、较深, 而弧形裂纹较短、较浅。弧坑裂纹亦属结晶裂纹, 它产生于焊缝收尾处。
这些结晶裂纹尽管形态、分布和走向有区别, 但都有一个共同特点, 即所有结晶裂纹都是沿一次结晶的晶界分布, 特别是沿柱状晶的晶界分布。焊缝中心线两侧的弧形裂纹是在平行生长的柱状晶晶界上形成的。在焊缝中心线上的纵向裂纹恰好是处在从焊缝两侧生成的柱状晶的汇合面上。
多数结晶裂纹的断口上可以看到氧化的色彩, 说明了它是在高温下产生的。在扫描电镜下观察结晶裂纹的断口具有典型的沿晶开裂特征, 断口晶粒表面圆滑。
4.2 结晶裂纹的形成机理
从焊接凝固形态得知, 焊缝结晶时先结晶部分较纯, 后结晶部分的杂质和合金化元素较多, 这种结晶偏析造成了化学不均匀。随着柱状晶长大, 杂质合金化元素就不断被排斥到平行生长的柱状晶交界处或焊缝中心线上, 它们与金属形成低熔相或共晶。在结晶后期已凝固的晶粒相对较多时, 这些残存在晶界处的低熔相尚未凝固, 并呈液膜状态散布在晶粒表面, 割断了一些晶粒之间的联系。在冷却收缩所引起的拉伸应力作用下, 这些远比晶粒脆弱的液膜承受不了这种拉伸应力, 就在晶粒边界处分离形成了结晶裂纹。
4.3 防治措施
结晶裂纹是一种较常见的裂纹之一, 防治措施可从冶金和施工工艺两方面着手进行。
4.3.1 冶金方面
1) 控制焊接中硫、磷、碳等有害杂质的含量。这几种元素不仅能形成低熔相或共晶, 而且还能使偏析, 从而增大结晶裂纹的敏感性。为了消除它们的有害作用, 应尽量限制母材和焊接材料中硫、磷、碳的含量。重要的焊接结构应采用碱性焊条或焊剂。
2) 改善焊缝结晶形态。在焊缝或母材中加入一些细化晶粒元素, 如Mo、V、Ti、Nb等元素, 以提高其抗裂性能, 增强焊接体的韧性。
3) 利用“愈合”作用。晶间存在易熔共晶是产生结晶裂纹的重要原因, 但当易熔共晶增多到一定程度时, 反而使结晶裂纹倾向下降, 甚至消失。这是因较多的易熔共晶可在已凝固晶粒之间自由流动, 填充了晶粒间由于拉应力所造成的缝隙, 即所谓的“愈合”作用。但须注意, 晶间存在过多低熔将会增大脆性, 影响接头性能, 因此要控制得当, 才能达到既降低裂纹产生的机率, 又能使材料不因控制不当造成焊缝具有较大脆性。
4.3.2 工艺方面
主要指从焊接参数、预热、接头设计和焊接顺序等方面去防治结晶裂纹。
1) 合理的焊缝形状。焊接接头形式不同, 将影响到焊缝的受力状态、结晶条件和热的分布等, 因而结晶裂纹的倾向也不同。
表面堆焊和熔深较浅的对接焊缝抗裂性较好, 熔深较大的对接焊缝和角焊缝抗裂性能较差, 实际上, 结晶裂纹和焊缝的成形系数有关。一般可提高焊缝成形系数可以提高焊缝的裂性能。
2) 为了控制成形系数, 必须合理调整焊接参数。平焊时, 焊缝成形系数随焊接电流增大面减少, 随电弧电压的增大而增大。焊接速度提高时, 不仅焊缝成开系数减小, 而且由于熔池形状改变, 焊缝的柱状晶呈直线状, 从熔晶边缘垂直地向焊缝中心生长, 最后在焊缝中心线上形成明显偏析层, 增加了结晶裂纹倾向。
预热以降低冷却速度。熔晶膜冷却速度升高, 焊缝金属的应变速率也增大, 容易产生裂纹。为此, 应采取缓冷措施。预热对于降低热裂纹倾向比较有效, 因为预热改变了焊接热循环, 能减慢冷却速度;增加焊接热输入也能降低冷却速度, 但提高焊接热输入却促使晶粒长大, 增加偏析倾向, 其防裂效果不明显, 甚至适得其反。在工艺上填满弧坑和衰减电流收弧均能减少弧坑裂纹。
5 液化裂纹成因分析与防治
5.1 液化裂纹的基本特征
在母材近缝区或多层焊的前一焊道因受热作用而液化的晶界上形成的焊接裂纹称液化裂纹。与结晶裂纹不同, 液化裂纹产生的位置是在母材近缝区或多层焊的前一焊道上。
5.2 液化裂纹的形成机理
液化裂纹形成机理在本质上与结晶裂纹相同, 都是由于晶间有脆弱低熔相或共晶, 在高温下承受不了应力的作用而开裂。区别仅在于结晶裂纹是液态焊缝金属在凝固过程中形成的, 而液化裂纹则是因态的母材受热循环的峰值温度作用下, 使晶间层重新熔化后形成的。
5.3 防治措施
防治液化裂纹的措施与防治结晶裂纹的一致。最主要的是尽可能降低母材金属中硫、磷、硅、硼等低熔共晶组成元素的含量。
不锈钢复合板焊接裂纹预防措施 篇9
复合钢板是由两种不同金属复合而成, 焊接属异种钢焊接。由于不同金属的化学成分、物理、化学性能差别很大, 可焊性差。在焊接中稍有不慎, 就可能沿焊缝方向产生裂纹, 返修补焊也往往会产生新的裂纹。
一、案例
某新建EO/EG装置, EO汽提/再吸收塔设备C-6404与其内部冷凝器E-6405为一台装备, 在设备分交时, C-6404分为上下两段, 中间插入再吸收塔内冷凝器E-6405, 自E-6405上下管板处分界, 分三段供货, 现场组焊为一整体, 具体见表1、图1。现场有两条组装环焊缝。
汽提塔C-6404上、下塔体为16MnR+00Cr19Ni10复合板, 下塔体厚度为28mm+3mm, 上塔体厚度为18mm+3mm。冷凝器E-6405为固定管板式结构, 管板为16MnR, 厚137mm, 表面堆焊304L不锈钢, 现场形成60°坡口的上下两道大角焊缝, 设计要求内层焊不锈钢。
原焊接工艺, 焊条选用基层J507、过渡层A062、复层A002, 焊接顺序为先焊基层, 再焊过渡层, 最后焊复层。但因设备结构限制, 实际安装过程中无法按上述焊接顺序实施焊接, 实际焊接顺序只能为复层→过渡层→基层。
按照一般不锈钢复合板焊接规程, 基层的焊接用过渡层焊材焊接。焊接完成后, 发现下塔体与管板角焊缝处有大面积裂纹产生, 有裂纹的焊缝长度占焊缝总长约2/3, 既有纵向裂纹, 也有横向裂纹, 纵向裂纹最长达500～600mm。
二、原因分析
焊接残余应力和淬硬组织的存在是导致焊接冷裂纹的主要因素, 残余氢的存在可促进裂纹的发生和扩展。
1. 残余应力
冷凝器管板厚度137mm, 表面堆焊不锈钢, 因设计图纸未明确提出焊后消应力热处理, 制造单位未对管板进行消应力热处理, 管板自身应力较大。设备进场后实测, 塔体最大椭圆度达35mm, 施工单位在未校圆的情况下组对焊接, 造成较大焊接残余应力。结构设计上未充分考虑到实际施工的可操作性, 造成不锈钢复合板焊接顺序不合理, 且下环口为仰脸横缝焊接, 现场焊接操作难度大。
2. 焊接热应力
在不锈钢复合板焊接中, 由于两种金属物理性能的不同, 如熔化温度、线膨胀系数、热导率等的差异, 影响焊接的热循环过程、结晶条件, 降低焊接接头质量。线膨胀系数相差较大时, 会引起较大的焊接残余应力和变形, 易使焊缝和热影响区产生裂纹。
本案中珠光体钢16MnR、奥氏体304L导热系数和线膨胀系数存在较大差异, 见表2。由于奥氏体的导热系数较低, 热膨胀系数较大, 膨胀变形较大。接头在冷却时奥氏体比珠光体钢收缩变形大, 而基层金属却束缚着过渡层金属的收缩。在焊缝方向上, 如果焊缝上存在脆、硬的马氏体淬硬组织, 在热应力的作用下极易产生裂纹, 马氏体组织越多, 焊缝裂纹敏感性越强。
3. 马氏体淬硬组织的形成
设备分三段运抵建设现场后, 施工单位现场安装组焊。复层采用A002 (钛钙型超低碳Cr19Ni10焊条) , 过渡层和基层采用A062 (钛钙型超低碳Cr23Ni13焊条) 。
母材、焊材的化学成分及铬镍当量的计算数值见表3。
铬当量计算公式[Cr]=1%Cr+1%Mo+1.5%Si+0.5%Nb, 镍当量计算公式[Ni]=1%Ni+30%C+0.5%Mn。
利用舍夫勒图 (图2) 分析过渡层焊缝组织构成。
在图2中分别标出基层金属16MnR相应成分点m, 复层金属304L相应成分点s, 过渡层焊条金属A062相应成分点f。
在实际焊接过程中, 因设备结构限制, 被迫采用先焊复层, 再焊过渡层, 最后焊基层的工序。过渡层是在复层金属上焊接, 复层金属304L熔入过渡层焊缝的比例较高, 则两种材料成分混合后应在s、f连线中心偏左的位置, 假设为a点, 可以认为这就是待焊母材。具有a点成分的待焊母材再与基层金属成分m相熔合后, 构成焊缝金属。其具体组成成分应落在a、m连线上, 根据熔合比确定。从图2可知, 为使焊缝不出现马氏体组织, 基层熔合比大致应低于20%, 实际焊接时极难控制, 焊接电流或焊条摆动稍大, 基层融合比就可能超出极限值, 马氏体组织产生几率极大, 几乎难以避免。即使严格控制内复层和过渡层的融合比, 比如混合成分在s、f连线中心偏右的b点, 焊缝金属组织如若不产生马氏体, 基层金属熔入焊缝中的融合比至少应小于30%, 控制难度极大。同时由于是冬季施工, 组焊设备体积庞大, 又无预热和保温, 焊缝温度降低较快也是促进马氏体产生的因素。
4. 其他因素
(1) 碳迁移的影响。焊接时碳从低Cr的基层金属向高Cr的不锈钢复层焊缝金属扩散迁移, 因此在基层和复层的交界处形成高硬度的增碳层和低硬度的脱碳层, 引起熔合区的脆化和软化。
(2) 焊缝的结晶裂纹。奥氏体结晶温度区间很大, 熔池结晶时枝晶晶界上存在的S、P等低熔点共晶物呈现薄膜状, 在拉应力作用下极易产生裂纹。
(3) 焊接纪律等因素。焊接接头附近油、水等污物处理状况和焊条烘干、存放状况的不良均可在焊缝中形成较多的残余氢, 焊后冷却时如果没有及时进行后热处理, 残余氢会扩散聚集, 对裂纹的产生起到促进的作用。
如果不能严格执行按合格焊评编制的焊接工艺, 其他诸如焊接线能量控制、熔合比、熔深控制等因素, 均会对焊接质量产生影响。
三、解决方法
减少应力和避免马氏体淬硬组织的形成是问题解决的基本方向。
1. 应力问题的解决
由于管板和管束涨焊已经完成, 若此时对堆焊后的管板进行消应力热处理, 虽然有利于应力水平的降低, 但对管束涨焊的影响不易判断。考虑到介质的特殊性, 此时热处理不会获得理想效果。对于设备对口处椭圆度超标问题, 由于筒体直径较大且内有不锈钢复合层, 加之相关设施的缺乏, 现场无法完成筒体校圆工作。因此高应力问题现场无法解决, 只能在避免或减少马氏体淬硬组织形成上想办法。
2. 避免马氏体淬硬组织的形成
虽然正常焊接顺序为基层、过渡层、复层, 这样可以尽量减少碳迁移和合金元素的稀释, 避免马氏体的形成和焊缝的脆化问题。但由于设备结构的特殊性, 只能按复层、过渡层、基层顺序焊接, 在焊接过程中, 由于基层金属16MnR的熔入, 使得焊缝金属合金成分被冲淡, 要想焊缝中不产生马氏体组织, 必须保证焊缝中奥氏体形成元素Ni的含量不低于一定值, Ni含量越高形成马氏体的可能性就越低。本案在考虑到角焊缝的强度问题 (304L在100℃时δs=118MPa, 16MnR在100℃时δs=163MPa) 的同时, 决定过渡层和基层焊接均采用高Ni焊条ENi Fe-3, 该焊材是低氢型Ni70Cr15镍基合金焊条, Ni含量高, 且熔敷金属含有适量锰、钼和铌, 具有较好的抗裂性。
四、返修施工基本方法及技术要求
1. 原焊缝清理
鉴于E-6405冷凝器已经组焊安装在C-6404塔下段, 在焊缝清理时, 发现部分裂纹已延伸至E-6405管板焊缝热影响区, 无法继续清理。因此, 需将E-6405整体及与其相接的C-6404一段筒体一起割除。先将E-6405带C-6404下段一节筒体吊到地面, 放在电动托辊上进行返修, 其返修步骤如下:
(1) 为防止原焊缝焊趾处的裂纹向管板延伸, 采用分层气刨去除焊缝到复层, 气刨前用火焊把对焊缝进行预热100～150℃, 预热范围为焊缝宽度的3倍。然后用磨光机打磨焊道至冷凝器管板处。将C-6404下段筒体取下后, 分别清除筒体和冷凝器管板上的零星焊肉, 再将筒体坡口及热影响区处全部打磨干净。筒体焊缝清理后, 进行渗透检测, 确保坡口无裂纹。
(2) 对冷凝器管板进行检查, 对于已延伸至管板热影响区的裂纹, 采用超声波检测, 确定裂纹深度, 然后采用磨光机打磨处理, 确保裂纹不再延伸。
2. 焊接
首先进行焊接评定, 焊评合格后对裂纹部位打磨补焊修复, 对未发现裂纹的区域也用ENi Cr Fe3堆焊一层, 焊接过程中严格控制焊接熔合比这一关键因素。
(1) 对管板缺陷去除处进行补焊, 采用ENi Cr Fe3焊条。补焊前将补焊部位预热到150℃方可施焊。
(2) 对管板、塔体连接处进行重新焊接, 采用ENi Cr Fe3焊条;焊前焊接部位预热到150℃方可施焊。焊接采用两人180°同步同向焊接, 焊接方法采用小电流、多层多道快速焊。层间温度不得低于100℃。
3. 焊接保证措施
(1) 选用焊接技能高的优秀焊工, 焊接前进行专题技术交底, 明确焊接要求和施焊步骤, 并安排焊工在钢板上进行预施焊, 以掌握ENi Cr Fe3焊条的焊接特点。
(2) 全过程监督现场镍基焊材施焊。
(3) 过程严格按照镍基焊材焊接工艺进行。对于镍基焊材, 焊接易出现热裂纹, 特别是弧坑处容易出现热裂纹, 要求施焊过程中, 焊接电流不能太大。加强对弧坑的检查和打磨。
(4) 每焊接一层, 及时打磨飞溅, 着色检查合格后, 才能继续施焊下一层。
4. 检验
C-6404与E-6405角焊缝位置不适合射线、超声检测, 需分层进行渗透检测。检测位置为复层、过渡层、基层, 焊接一层检查一次, 直至基层焊完。检测标准为JB/T4730.5-2005, Ⅰ级合格。
5. 热处理
因设备残余应力大, 因此有必要对焊缝进行消除应力热处理, 热处理参数如下:部位C-6404;壁厚28mm+3mm;升温速度50～160℃/h;保温温度560℃;恒温时间1.2h;降温速度210～50℃/h (<400℃时, 自然冷却) 。
五、经验总结
设计的优劣是装备质量保障的前提, 制造、安装是保证装备质量的基础, 任何环节的疏忽都会对设备最终质量产生影响。在本案中EO的爆炸极限为3%～100%, 如果发生开裂泄漏, 将严重威胁到装置的本质运行安全。
焊接是一个复杂的系统工作, 尤其复合钢板焊接属异种钢焊接, 焊接质量控制难度更大、更复杂, 影响因素更多, 任何环节的失控必将影响到接头的焊接质量。因此必须严格执行焊接顺序, 合理选择焊材, 采用小电流、多道焊, 避免焊条过度摆动, 严控熔合比等各个细节, 严格按照合格焊接评定工艺进行焊接, 才能得到满意的焊接质量。
摘要：针对复合板焊接裂纹问题, 利用舍夫勒图分析裂纹产生原因, 并根据现场实际状况提出相应解决方法及措施。
关键词：复合板,焊接,裂纹
参考文献
焊接裂纹 篇10
球罐作为大容量、承压的球形储存容器, 与立式圆筒形储罐相比, 具有独到的优势。在相同容积和相同压力下, 球罐的表面积最小, 故所需钢材面积少;在相同直径情况下, 球罐壁内应力最小, 而且均匀, 其承载能力比圆筒形容器大1倍, 故球罐的板厚只需相应圆筒形容器壁板厚度的一半。因此, 球罐在石油、化工、冶金等部门正得到越来越广泛的应用。
在石油化工行业, 球罐主要用于储存液化石油气、液化天然气、丙烯等易燃易爆甚至有毒的介质, 一旦发生破坏将引起极其严重的后果。因此, 储存上述危险介质的球罐基本上都是石油化工企业中的重大危险源。
统计表明, 球罐的失效泄漏多数发生在球罐的焊缝及其热影响区部位, 主要原因是这些部位存在裂纹。球罐焊接裂纹主要包括热裂纹和冷裂纹, 其中冷裂纹的危害要比热裂纹的大, 因为热裂纹焊接过程中出现, 一旦出现人们可以返修, 而绝大部分冷裂纹的发生具有延迟性, 也就是焊后检查不出来, 而是过一段时间才发生, 很多是在使用过程中出现, 所以很容易造成事故, 使设备损坏并威胁人的生命安全。因此, 如何避免焊缝产生冷裂纹是提高球罐制造质量, 保证球罐安全运行的关键。
二、焊接冷裂纹的产生机理及影响因素
经过人们大量的生产实践和理论研究发现, 造成焊接接头产生冷裂纹主要有钢材的脆硬倾向、焊接接头的含氢量及其分布、焊接接头所承受的应力状态三大因素。
1. 钢种的淬硬倾向
球罐用的钢材一般为低合金钢, 其焊接的主要特征之一是热影响区容易出现脆性马氏体组织, 有比较大的淬硬倾向。淬硬倾向越大越容易产生冷裂纹。主要是由于钢材的脆硬倾向越大, 越容易形成脆性马氏体组织, 硬度明显增高, 塑性及韧性降低, 脆硬组织发生断裂时消耗的能量低, 容易开裂。此外, 钢种的淬硬倾向越大, 组织中形成的晶格缺陷 (主要是空穴、位错等) 越多, 晶格缺陷越多, 越容易形成裂纹。
影响热影响区淬硬程度的因素主要有三个方面。一是原材料及焊接结构因素, 包括钢材的化学成分、钢板厚度、接头形式及焊接尺寸等, 其中钢材化学成分的影响最为显著, 钢中含碳及其他合金元素越多, 强度越高, 热影响区的淬硬倾向就越大。二是焊接工艺方法及选用的焊接规范, 包括焊接电流、焊接速度以及焊条摆动的方式。三是焊接后的冷却速度, 影响因素主要是焊前钢材预热温度、焊后缓冷措施等。
2. 氢的作用
氢是引起球罐焊接冷裂纹的一个重要因素, 并且有延迟的特征, 因此由氢引起的冷裂纹也称为“氢致裂纹”或“氢诱发裂纹”。试验研究证明, 高强钢焊接接头的含氢量越高, 则裂纹的敏感性越大。
在焊接的高温下, 液态金属所吸收的大量氢, 有一部分在熔池金属的凝固过程中可以逸出。但由于熔池冷却较快, 还会有相当多的氢来不及逸出而留在固态焊缝金属中。在钢焊缝中, 留在焊缝中的氢大部分是以H、H+、H-的形式存在的, 它们与焊缝金属形成间隙固溶体, 由于氢原子和离子的半径很小, 这一部分氢可以在焊缝中扩散, 因此称这部分氢为扩散氢, 焊缝中的扩散氢往往会从氢的含量较高的焊缝向氢的含量较低的焊缝熔合线区和热影响区扩展, 最终使焊缝熔合线和热影响区中的粗晶区附近的扩散氢含量较高, 特别是在有较严重应力集中的焊趾部位和存在咬边的缺口部位, 会形成一个氢的富集区。还有一部分氢扩散聚集到金属的晶格缺陷、显微裂纹和非金属夹杂中, 结合为分子氢, 这部分氢因其半径大, 不能自由扩散, 称其为残余氢。残余氢在焊缝中往往会形成为焊缝中的气孔, 而扩散氢对焊缝的机械性能会产生较大的不利影响。
氢的主要来源是焊材中的水分和焊接区域中的油污、铁锈、水以及大气中的水汽等。这些水、铁锈或有机物经焊接电弧的高温热作用分解成氢原子而进入焊接熔池中。
3. 应力的作用
由于球壳板制造尺寸的偏差以及组装工艺的原因, 在球罐的组装过程中总会存在或多或少的强力组对;在焊接过程中, 焊接参数相差较大、焊接顺序不合理等因素, 也会产生应力。因此球罐安装完成后便存在着内应力, 这种应力主要靠焊后整体热处理进行消除, 但无法彻底消除。此外, 球罐焊接是一个局部加热过程, 在焊接过程中产生不断发生应力与应变的循环, 因此球罐焊接后必然存在残余应力。
三、防止球罐产生焊接冷裂纹的措施
基于焊接冷裂纹的上述产生原因, 可采取以下控制措施:
1. 材料控制
(1) 球壳板材料的控制。尽量选用选用碳当量低的优质钢材作为球壳板材料, 这些材料碳当量低, 焊接时热影响区的淬硬倾向低, 可焊性好, 对冷裂纹不敏感。此外, 在对制造球壳板用的钢板入场验收时, 应认真检查钢板的质量证明书, 严格核对碳及金属元素的含量, 保证碳含量不超标。同时, 应逐张进行超声波检测, 避免母材存在夹渣、夹层缺陷, 对存在缺陷超标的钢材不得使用。
(2) 焊接材料的控制。
选用低氢型焊条, 必要时要采用超低氢型的焊条。
2. 焊接过程控制
(1) 焊条使用前一定要按产品使用说明进行烘干, 并贮存在100~150℃的恒温箱中, 在使用时放入保温筒内并随用随取, 在保温筒内存放时间不得超过4h, 否则要按原烘干温度重新烘干, 重复烘干不得超过两次。
(2) 球壳板组对的控制。
(3) 焊接前要彻底去除焊接坡口表面及坡口两侧20mm范围内的油污、水分, 铁锈及其他杂物。
(4) 焊接环境的控制。
(5) 选用适当的焊前预热温度和预热范围进行预热处理。
(6) 选用适当的后热温度和后热时间进行后热处理。通过适当的后热进一步使扩散氢溢出, 同时消除内应力。
(7) 在焊接过程中, 应保持焊接的连续性, 保持适当的层间温度, 使之不低于预热温度下限值。适当的层间温度也能延缓焊缝的冷却速度, 有利于扩散氢的逸出和降低残余应力。
(8) 焊接能量的控制。
(9) 焊接顺序的控制。
(10) 焊后整体热处理的控制。
四、应用实例
在进行2000 m3丙烯球罐的施工过程中, 严格执行了本文分析总结的各条控制措施。在球罐焊接完成并经过了一周时间后, 对球罐焊缝进行了射线检测, 结果表明, 各焊缝均未发现冷裂纹的存在, 确保了球罐的质量。
结语
影响焊接冷裂纹形成的原因很多, 本文从材料、组对、预热处理、焊接、后热处理等整个过程中应采取的措施进行了分析与探讨, 并通过工程实例进行很好的验证。本文总结的措施具有一定的通用性, 但愿能对相似的焊接施工有所帮助。
摘要：本文分析了焊接冷裂纹产生的机理, 并从材料选择、焊接过程、焊后热处理等方面提出了球罐建造过程中防止冷裂纹产生的具体措施。这些措施用于现场施工后, 焊缝经检测未发现裂纹, 保证了球罐的制造质量。
关键词：球罐,焊接冷裂纹,预防措施
参考文献
[1]邓社华.浅谈冷裂纹的形成原因、特征及防止措施[J].黑龙江科技信息.2009 (04) .
[2]严正凯.低合金高强钢的焊接工艺研究[J].机械工程与自动化.2007 (01) .