真空自耗電弧爐電極桿焊接裂紋控制技術(shù)研究

張日恒

(武昌船舶重工有限責(zé)任公司鈦合金工程應(yīng)用技術(shù)研究所,湖北 武漢 430063)

真空自耗電弧爐電極桿焊接裂紋控制技術(shù)研究

張日恒

(武昌船舶重工有限責(zé)任公司鈦合金工程應(yīng)用技術(shù)研究所,湖北 武漢 430063)

分析了真空自耗電弧爐銅 -不銹鋼異種金屬套管式電極桿焊接裂紋產(chǎn)生的機(jī)理。研究出了提高焊縫金屬抗裂性能及降低焊接過程結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力的工藝方法——焊后捶擊焊逢并澆水快速冷卻。生產(chǎn)中采用該工藝措施后,有效地防止了焊接裂紋的產(chǎn)生,值得在類似結(jié)構(gòu)焊接中加以推廣應(yīng)用。

異種金屬;封閉結(jié)構(gòu);焊接裂紋;控制技術(shù)

1 問題的提出

真空熔煉是現(xiàn)階段冶煉鈦及鈦合金材料的主要工藝方法,真空自耗電弧爐是實(shí)現(xiàn)該工藝的主要設(shè)備,電極桿是真空自耗電弧爐煉鈦設(shè)備中不可缺少的核心部件之一。真空自耗電弧爐電極桿由紫銅(T2)內(nèi)管、不銹鋼 (1Cr18N i9Ti)外管、紫銅 (T2)導(dǎo)電法蘭和紫銅 (T2)連接頭等零件經(jīng)熔化焊接而成,屬封閉式套管結(jié)構(gòu)異種金屬組焊件。圖1為某型進(jìn)口真空自耗電弧爐電極桿結(jié)構(gòu)示意圖。為擺脫國外的技術(shù)制約,對其進(jìn)行了國產(chǎn)化試制,按照①②③④的順序依次施焊各組焊焊縫。焊后檢查發(fā)現(xiàn),在焊縫①、④處均產(chǎn)生了極為嚴(yán)重的裂紋。

圖1 銅 -不銹鋼套管式電極桿結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of double-pipe electric pole with Cu-stain less steel

2 裂紋產(chǎn)生的原因分析

裂紋產(chǎn)生的主要原因是焊接中在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生了較大的殘余應(yīng)力,且應(yīng)力超過了材料的抗拉強(qiáng)度極限。經(jīng)過分析研究,電極桿中的殘余應(yīng)力主要來源于 4個方面:一是在原材料制造階段及運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力(以下簡稱為“材料應(yīng)力”);二是零部件機(jī)械加工中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力 (簡稱為“加工應(yīng)力”);三是由于焊接工藝本身所導(dǎo)致的殘余應(yīng)力(簡稱為“焊接應(yīng)力”);四是因預(yù)熱 -焊接 -冷卻過程中的收縮與伸長不可逆而導(dǎo)致的殘余應(yīng)力(簡稱為“伸縮應(yīng)力”)。其中,因各零件的機(jī)械加工量均比較小,加之在機(jī)械加工之前進(jìn)行過消除應(yīng)力熱處理,焊接過程前殘留在工件中的材料殘余應(yīng)力及加工應(yīng)力均比較小,對裂紋產(chǎn)生的影響作用不是很大。因此,以下將重點(diǎn)分析焊接應(yīng)力及伸縮應(yīng)力對裂紋的影響。

2.1 焊接應(yīng)力

眾所周知,焊接是一個局部不均勻的加熱、熔化、冶金、凝固和冷卻等的物理化學(xué)過程,在焊接中產(chǎn)生焊接應(yīng)力是在所難免的,而且,焊接應(yīng)力常常表現(xiàn)為拉應(yīng)力。在電極桿各條焊縫的焊接過程中,同樣會產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力。通常情況下,焊接應(yīng)力的大小隨著焊件材料、焊接接頭的結(jié)構(gòu)、工件的厚度、焊接方法、焊接工藝措施、焊接工藝參數(shù)、焊接條件、焊工技術(shù)水平等因素的變化而變化。在其他條件相同時,采用對接接頭形式所產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力最小,采用角接接頭形式所產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力最大。該構(gòu)件的焊縫①、焊縫④均屬于角接接頭型式,在組焊過程中均有可能產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力。

2.2 伸縮應(yīng)力

電極桿的外管采用不銹鋼材料,內(nèi)管及其他零件材料為紫銅。銅與不銹鋼熱物理性能的差異較大(見表1[1]),銅的導(dǎo)熱性能極好 (相同溫度條件下銅的導(dǎo)熱系數(shù)約是不銹鋼的 15～25倍),在電弧熔化焊接過程中,電弧所產(chǎn)生的熱量大量被母材以熱傳導(dǎo)的方式散失,用以加熱熔化焊接接頭與焊接材料的有功熱量將大幅減少,使得焊接生產(chǎn)效率大大降低甚至無法正常施焊。因此,要在焊接之前對紫銅工件進(jìn)行預(yù)熱,且預(yù)熱溫度較高 (約 700℃),而焊接不銹鋼時不需要預(yù)熱。

表1 銅與不銹鋼的熱物理性能比較Table 1 Comparison of thermo-physical properties between Cu and stain less steel

在焊接焊縫④(其余焊縫均已在之前全部施焊完畢)的預(yù)熱過程中,只加熱紫銅導(dǎo)電法蘭及與其組焊部位的紫銅內(nèi)管。由于導(dǎo)電法蘭及與其組焊部位的內(nèi)管屬于直接受熱部位,其溫度升高速度較快,靠近內(nèi)、外管直接加熱區(qū)域的鄰近部位是以熱傳導(dǎo)等方式進(jìn)行預(yù)熱的,升溫速度較慢。由于紫銅內(nèi)管與不銹鋼外管的導(dǎo)熱率相差較大,即使直接加熱部位的溫度相同,但由于熱量在內(nèi)管、外管中的傳遞能力不同,導(dǎo)致加熱區(qū)域附近內(nèi)、外管中的溫度梯度嚴(yán)重不均。紫銅內(nèi)管因?qū)嵝院枚鴾囟忍荻容^小,不銹鋼外管因?qū)嵝暂^差而溫度梯度大,從而使得內(nèi)、外管受熱后處于高溫區(qū)的長度不同,紫銅內(nèi)管處于高溫區(qū)的長度長而不銹鋼外管處于高溫區(qū)的長度短。如此便導(dǎo)致了即便是在內(nèi)、外管直接加熱部位溫度相同的條件下,內(nèi)管與外管沿長度方向的伸長將不同步,伸長量也不相同,紫銅內(nèi)管比不銹鋼外管的伸長量大。在未采取相應(yīng)的工藝控制措施的情況下,將內(nèi)、外管組件焊接為一體,導(dǎo)致焊后冷卻前內(nèi)管比外管長 18mm,這樣,在焊后冷卻過程中,內(nèi)、外管均會因?yàn)闇囟鹊慕档投s短,但此時內(nèi)、外管已通過組焊焊縫聯(lián)接為一個封閉式的整體結(jié)構(gòu),其收縮變形將相互制約。由于紫銅內(nèi)管在加熱時的自由伸長量大于不銹鋼外管,其收縮量理應(yīng)比外管大,但由于受到了不銹鋼外管的限制而不能自由收縮,待冷卻至室溫時,內(nèi)管因受到外管的拉伸作用而產(chǎn)生了拉應(yīng)力,與此同時,外管因?yàn)閮?nèi)管的壓縮而產(chǎn)生了壓應(yīng)力,從而在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力,由于內(nèi)、外管在加熱過程中的伸長量差別較大,結(jié)構(gòu)在焊后冷卻過程中所產(chǎn)生的伸縮應(yīng)力也比較大。焊后各焊縫中所產(chǎn)生的應(yīng)力如圖2所示。

圖2 焊后焊縫應(yīng)力分布示意圖Fig.2 Stress distribution diagram of post-weld seam

2.3 裂紋產(chǎn)生的機(jī)理

資料[2]表明,銅及銅合金的力學(xué)性能是隨溫度而變化的,其變化關(guān)系如圖3所示。

圖3 銅及銅合金機(jī)械性能與溫度的關(guān)系Fig.3 The relationship between mechanical properties and temperature for copper and its alloys

由圖3可見,在 450～600℃溫度區(qū)間時,銅及銅合金的強(qiáng)度較低、塑性較差,故將這一溫度區(qū)間稱為脆性區(qū)。在加熱或焊接時,若在脆性區(qū)停留的時間較長時,如果工件中拉應(yīng)力較大,則容易產(chǎn)生裂紋。

由以上分析可知,在電極桿的焊過程中產(chǎn)生了較大的焊接應(yīng)力及伸縮應(yīng)力,而紫銅本身的抗拉強(qiáng)度又比較低,當(dāng)應(yīng)力超過了材料的抗拉強(qiáng)度時,就產(chǎn)生了裂紋。

3 裂紋產(chǎn)生的部位與時間分析

3.1 裂紋產(chǎn)生的部位

通過以上分析,在預(yù)熱升溫、焊接及焊后冷卻過程中,各條焊縫及零件中均產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力,但裂紋一般出現(xiàn)于焊接接頭中。實(shí)踐證明,各焊縫產(chǎn)生裂紋的傾向是不相同的,以下簡要分析各焊縫焊接中裂紋產(chǎn)生的可能性及其部位。

3.1.1焊縫①

焊縫①屬于角焊縫,在其本身焊接過程中便產(chǎn)生了較大的焊接應(yīng)力,存在較大的裂紋傾向。在焊縫④的焊接過程中,又因結(jié)構(gòu)等原因產(chǎn)生了較大的伸縮應(yīng)力(表現(xiàn)為剪應(yīng)力),此應(yīng)力與原焊接應(yīng)力相疊加,產(chǎn)生焊縫裂紋的傾向?qū)⑦M(jìn)一步增大。

在焊接焊縫④時,焊縫①所在部位的溫度超過了材料脆性區(qū)的溫度上限,焊后冷卻過程中,焊縫①的溫度必將要經(jīng)過材料的脆性溫度區(qū)間,此時,焊縫金屬的強(qiáng)度較低、塑性較差,在較大內(nèi)應(yīng)力的作用下便在焊縫中產(chǎn)生了裂紋。

3.1.2 焊縫②

在焊接焊縫②的過程中也會產(chǎn)生焊接拉應(yīng)力,此應(yīng)力與焊接焊縫④時所產(chǎn)生的拉應(yīng)力相互疊加,使得焊縫②產(chǎn)生裂紋的傾向增大。但由于該電極桿較長,在焊接焊縫④時,焊縫②離預(yù)熱的高溫區(qū)較遠(yuǎn),其溫度較低遠(yuǎn)低于材料脆性區(qū)的溫度下限,此時,焊縫熔敷金屬的強(qiáng)度較高、塑性很好,因此,焊縫②中一般不會在產(chǎn)生裂紋。

3.1.3 焊縫③

在焊接焊縫③的過程中產(chǎn)生了焊接拉應(yīng)力,根據(jù)圖2所知,焊接焊縫④時在焊縫③中產(chǎn)生了較大的伸縮壓應(yīng)力,拉、壓應(yīng)力相互疊加,使得該焊縫中的內(nèi)應(yīng)力大大降低,加之該焊縫距離焊接高溫區(qū)域較遠(yuǎn),溫度較低,焊縫熔敷金屬維持了較高的強(qiáng)度與塑性,因此,焊縫③中一般不會產(chǎn)生裂紋。

3.1.4 焊縫④

焊縫④屬于角焊縫,通過前面分析可知,在其焊接過程中,產(chǎn)生了較大的焊接應(yīng)力和伸縮應(yīng)力,兩種應(yīng)力相互疊加,使得焊縫裂紋傾向大大增加,加之該焊縫的溫度超過了材料脆性區(qū)的溫度上限,焊后冷卻過程中,當(dāng)其溫度降至材料的脆性溫度區(qū)間時,焊縫金屬的強(qiáng)度及塑性均較差,在較大內(nèi)應(yīng)力的作用下便在焊縫中產(chǎn)生了裂紋。

通過以上分析,在電極桿焊接過程中,裂紋主要產(chǎn)生于焊縫①、焊縫④中,焊縫②、焊縫③與母材中通常不會產(chǎn)生裂紋。

3.2 裂紋產(chǎn)生的時間

在電極桿的焊接中,焊縫裂紋主要產(chǎn)生于焊縫④的焊接過程中,原因分析如下。

焊縫①、焊縫②和焊縫③的焊接均屬于零件向部件過渡階段的拼焊過程。此階段,由于焊縫④還沒有焊接,封閉式結(jié)構(gòu)尚未形成,各零件的自由度較大,焊接時均可自由伸縮,焊后結(jié)構(gòu)中只產(chǎn)生焊接應(yīng)力而不會產(chǎn)生伸縮應(yīng)力。由于焊接應(yīng)力相對較小,加之紫銅材料的塑性好,焊縫金屬具有良好的抗裂性能,因此,此階段一般不會產(chǎn)生焊縫裂紋。根據(jù)工藝順序,焊縫④是該結(jié)構(gòu)中最后施焊的組焊焊縫,通過此焊縫的焊接最終形成封閉結(jié)構(gòu)的電極桿。在焊縫④的焊前預(yù)熱升溫過程中,內(nèi)、外管受熱后均可自由伸縮,預(yù)熱過程不會使其余各條焊縫產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力,各焊縫均不會產(chǎn)生裂紋。在焊縫④的焊接過程中,雖然產(chǎn)生了焊接應(yīng)力,但所產(chǎn)生的焊接應(yīng)力相對較小,由于焊接區(qū)域及其鄰近部位的溫度高,材料的塑性好,抗裂性好,所以,此時在焊縫④(焊接區(qū))和焊縫①(焊接區(qū)的鄰近部位)中均不會產(chǎn)生焊縫裂紋;遠(yuǎn)離焊接高溫區(qū)的焊縫②和焊縫③(溫度接近室溫)也因?yàn)楹缚p金屬維持著較高的強(qiáng)度及塑性,不會產(chǎn)生焊縫裂紋。總起來說,就是在焊縫④的焊接過程中各條焊縫中不大可能產(chǎn)生焊縫裂紋。在焊縫④焊接完畢的冷卻過程中,通過焊縫的聯(lián)結(jié),內(nèi)、外管已不再自由收縮,內(nèi)管的收縮受到了外管的限制,在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了伸縮應(yīng)力,隨著工件溫度的降低,伸縮應(yīng)力逐漸增大。伸縮應(yīng)力與焊接應(yīng)力共同作用于焊縫上,使結(jié)構(gòu)中的內(nèi)應(yīng)力進(jìn)一步增大,焊縫裂紋傾向也將增大。當(dāng)工件溫度下降至 600℃時,焊接區(qū)金屬進(jìn)入材料的脆性溫度區(qū)(450～600℃),出現(xiàn)了較大的內(nèi)應(yīng)力作用于脆弱焊縫熔敷金屬的現(xiàn)象,而且,隨著焊接區(qū)金屬在脆性溫度區(qū)間停留時間的增加,產(chǎn)生焊縫裂紋的傾向急劇增大。研究表明,電極桿的焊縫裂紋主要產(chǎn)生于焊縫④焊接完畢的冷卻過程中。

4 防止裂紋產(chǎn)生的措施

通過以上分析,電極桿的焊縫裂紋是由焊接中較大的內(nèi)應(yīng)力及較低的材料強(qiáng)度所導(dǎo)致的,因此,要防止焊縫裂紋的產(chǎn)生,就應(yīng)制定合理的工藝方案,并將提高焊縫金屬綜合性能的工藝方法與降低結(jié)構(gòu)中內(nèi)應(yīng)力的工藝措施有效地結(jié)合在一起。以下簡要介紹防止電極桿焊縫裂紋產(chǎn)生的工藝措施。

4.1 提高焊縫金屬的抗裂性

為了提高焊縫金屬的抗裂性能,在電極桿各條焊縫的焊接中,均選擇了抗裂性能好的紫銅焊條(T107),并通過嚴(yán)格控制不銹鋼的熔合比、采用較小的焊接線能量施焊及捶擊焊縫等工藝措施提高了焊縫金屬的塑性和韌性,從而提高了焊縫金屬的抗裂性。

4.2 控制焊接應(yīng)力

在焊接時,采取了先分別焊接焊縫①、焊縫②、焊縫③,后焊接焊縫④的順序,不但降低了焊接施工難度,還有效地控制了焊接應(yīng)力。另外,在滿足圖紙要求的情況下,盡可能減小焊縫尺寸,采用較小的焊接線能量。通過這些工藝措施,有效地控制了焊接應(yīng)力。

4.3 消除應(yīng)力處理

通過焊接工藝控制降低焊接應(yīng)力的作用較為有限,為進(jìn)一步減小工件中的焊接殘余應(yīng)力,在焊縫①、焊縫②、焊縫③焊接之后,分別對工件進(jìn)行了消除應(yīng)力處理(退火、振動時效、捶擊等)。通過消應(yīng)力處理,大大降低了工件中的焊接殘余應(yīng)力。

4.4 控制伸縮應(yīng)力

由前面分析可知,伸縮應(yīng)力主要源自于焊縫④焊接中內(nèi)管不可逆的伸縮過程,由此可見,要控制伸縮應(yīng)力,就應(yīng)通過工藝手段來控制焊縫④焊接中內(nèi)、外管的伸縮變形過程,將內(nèi)管不可逆的伸縮變形量降低到較低的水平。研究表明,控制內(nèi)、外管伸縮變形過程的關(guān)鍵在于減小紫銅內(nèi)管焊前預(yù)熱中的伸長量,確保焊接時內(nèi)、外管的伸長量基本相同。另外,在焊接及焊后冷卻過程中,應(yīng)使內(nèi)、外管盡可能相對自由地同步縮短。這樣,可大大減小內(nèi)管在組焊焊縫④焊接過程中不可逆的伸縮量,進(jìn)而減小了其焊后收縮過程中的拉伸變形量,從而大大降低了結(jié)構(gòu)內(nèi)的伸縮應(yīng)力。

要達(dá)到以上控制效果,可采用兩種不同的工藝方法:一是對內(nèi)、外管同時進(jìn)行冷卻,將其受熱過程中的伸長量控制在同種金屬材料 (紫銅)之間,并嚴(yán)格控制焊后的冷卻過程,保證內(nèi)、外管能夠同步相對自由的收縮(原理示意圖如圖4所示,簡稱“冷卻法”);二是通過對不銹鋼外管進(jìn)行補(bǔ)償加熱,確保內(nèi)、外管在受熱后冷卻過程中能夠同步、自由地伸縮。經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐的驗(yàn)證,前一種方法的工裝簡單、操作簡便、控制效果較為理想,后一種工藝方法,不但因?yàn)椴讳P鋼受熱后容易在焊縫熱影響區(qū)產(chǎn)生滲透裂紋,而且控制的難度增大、工藝可操作性差、難以保證工藝要求。實(shí)際生產(chǎn)中采用了冷卻法。冷卻法的操作要點(diǎn):先將工件裝入冷卻水套中并向其中注水,待水位到達(dá)預(yù)定高度時調(diào)水流量,使進(jìn)、出水流量維持平衡;再分別裝設(shè)內(nèi)、外加熱器,按照工藝要求進(jìn)行預(yù)熱;待溫度達(dá)到要求后進(jìn)行焊接,焊接時盡可能縮短工件的高溫停留時間;焊接后,拆除內(nèi)、外加熱器,并澆水進(jìn)行快速冷卻至室溫,使內(nèi)、外管冷卻速度保持一致。

圖4 冷卻法控制內(nèi)外管伸縮變形原理示意圖Fig.4 Schematic diagram for control tensile and compressive deformation of the inner and outer tube by cooling method

4.5 控制焊后冷卻過程

根據(jù)前面分析,銅及銅合金存在脆性溫度區(qū),在焊縫④焊后冷卻過程中,隨著工件溫度的降低,焊接區(qū)溫度會降至材料的脆性溫度區(qū)間內(nèi),此時,當(dāng)較大的內(nèi)應(yīng)力作用于脆弱的焊縫金屬時則容易產(chǎn)生焊縫裂紋,且其產(chǎn)生傾向隨工件在脆性區(qū)內(nèi)停留時間的增加而增大。

為了減小焊縫裂紋傾向,生產(chǎn)中采用了焊后捶擊焊縫并澆水快速冷卻的方法。通過捶擊焊縫減小了其中的內(nèi)應(yīng)力;通過澆水快速冷卻,不但改善了材料的綜合力學(xué)性能,提高了焊縫金屬的抗裂性能(紫銅件高溫時澆水急冷的效果相當(dāng)于進(jìn)行了淬火處理,經(jīng)處理后材料的塑性大大提高),也減小了焊接殘余應(yīng)力,還最大限度地縮短工件在材料脆性溫度區(qū)間內(nèi)的停留時間,有效地防止焊縫裂紋的產(chǎn)生。

5 結(jié) 論

銅 -不銹鋼套管式電極桿焊接裂紋主要產(chǎn)生于其最后一條組焊焊縫焊接高溫區(qū)域及其鄰近部位的焊縫中,是由焊接殘余應(yīng)力與不可逆伸縮導(dǎo)致的伸縮應(yīng)力綜合作用所引起的。采用焊后捶擊焊縫并澆水快速冷卻的方法,提高了焊縫金屬的抗裂性能,降低了焊接殘余應(yīng)力與伸縮應(yīng)力,有效地防止了焊縫裂紋的產(chǎn)生。此項(xiàng)研究雖是針對真空自耗電弧爐電極桿的,但其成果可推廣應(yīng)用于其他類似封閉式結(jié)構(gòu)的焊接中。

[1]劉世胄.銅及銅合金的焊接[M]//焊接手冊 (2).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992.

[2]古列為奇.有色金屬焊接手冊[M].邸斌,劉中青,譯.北京:中國鐵道出版社,1988.

Control Technique of Welding C racks in Electrode Stem of Vacuum Consumable Arc Furnace

Zhang Riheng
(Engineering Applied Technology Institute of Titanium Alloy,Wuchang Shipbuilding Heavy Industry Co.,Ltd.,Wuhan 430063,China)

The mechanism of welding crack generation in the copper-stain less steel tube electrode stem of Vacuum Consumable Arc Furnace has been analyzed.A method about imp roving the crack resistance of weld metal and reducing structure stress during welding process,i.e.hammering welds and watered rap id coo ling after welding,was obtained.U sing the technology in production,can effectively prevent the generation of welding cracks,it can be extended to the applications in similar welding structure.

dissimilar metals;enclosed construction;welding crack;control technique

2010-12-12

張日恒 (1969-),男,高級工程師,電話:027-86725565。