低合金耐熱鋼焊接裂紋的探討

李陽(yáng)

(保定市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，河北 保定)

一、焊接裂紋的形態(tài)和類型

1.焊接裂紋的形態(tài)

低合金耐熱鋼焊接時(shí)易產(chǎn)生裂紋,通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)這種裂紋常以縱向的方式存在于焊縫中間及熔合線處,有時(shí)也以橫向的方式不規(guī)則地分布在整條焊縫中,嚴(yán)重時(shí)延伸到母材上。

2.焊接裂紋所屬類型

根據(jù)延遲裂紋的機(jī)理，氫由金屬內(nèi)部向外擴(kuò)散的過(guò)程中，會(huì)遇到某些"陷阱"（如顯微雜質(zhì)和微孔等），從而發(fā)生聚集，并由原子狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿訝顟B(tài)，形成較大的內(nèi)應(yīng)力，從而促使這些原有微觀缺陷的地方不斷擴(kuò)大，直至形成微觀裂紋。從焊接過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有較多的針狀氣孔現(xiàn)象來(lái)看，可以表明焊縫中的氫含量已處于飽和狀態(tài)，而焊后的去氫處理又不充分，從而導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生延遲裂紋。而從裂紋的擴(kuò)展方向來(lái)看是由焊縫向兩側(cè)母材方向擴(kuò)展，這與氫的擴(kuò)展方向呈一致性，由此說(shuō)明裂紋的性質(zhì)屬于冷裂紋。

這條焊縫的焊接持續(xù)了兩天多，在整個(gè)焊接過(guò)程中均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋，只是在整條焊縫焊妥后的第二天才發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的推移，裂紋有擴(kuò)展的趨勢(shì)。這就進(jìn)一步說(shuō)明焊接裂紋屬冷裂紋。

另外，從所發(fā)現(xiàn)的焊接氣孔來(lái)看，焊接表面的氣孔呈喇叭口形，且氣孔的四周有光滑的內(nèi)壁。隨后的機(jī)械加工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部也存在氣孔,多呈小圓球狀,這與氫氣孔的特征完全吻合,這說(shuō)明了焊縫中存在大量的過(guò)飽和氫。由于氫在不同溫度和不同組織中的溶解度差異很大，這樣的焊接接頭冷卻時(shí)，析出的氫就會(huì)向周圍的熱影響區(qū)擴(kuò)散，待組織轉(zhuǎn)變后就在熱影響區(qū)聚集相當(dāng)多的氫。當(dāng)這里存在顯微缺陷如原子空位、空穴等，氫原子就在這些地方結(jié)合成分子狀態(tài)的氫，在局部地區(qū)造成 很大的壓力，加上組織轉(zhuǎn)變時(shí)的體積膨脹而產(chǎn)生的巨大組織應(yīng)力，促使鋼發(fā)生破壞，從而形成氫延遲裂紋。

二、原因分析

1.母材及焊接材料化學(xué)成分的影響

根據(jù)碳當(dāng)量的計(jì)算公式算出母材的碳當(dāng)量為0.941%，焊絲的碳當(dāng)量為0.92%，均大于0.6%。因此，無(wú)論是母材還是焊材，其淬硬傾向嚴(yán)重，焊接性比較差，焊接時(shí)需要采取較高的預(yù)熱溫度及嚴(yán)格的工藝措施，否則易產(chǎn)生裂紋。

2.大而厚的結(jié)構(gòu)形式對(duì)焊接應(yīng)力的影響

(1)對(duì)于大而厚的容器，由于結(jié)構(gòu)本身鋼性大，焊接過(guò)程易產(chǎn)生相當(dāng)大的焊接應(yīng)力。焊接時(shí)焊件上溫度呈不均勻的分布，即在熱源中心部分溫度最高，離熱源越遠(yuǎn)則溫度越低。焊接時(shí)熔池的平均溫度在2000℃以上，它被周圍相對(duì)處于冷態(tài)的金屬包圍而受到約束，不能自由伸長(zhǎng)，因而產(chǎn)生相當(dāng)大的內(nèi)應(yīng)力，加上結(jié)構(gòu)鋼性大，不能變形，易導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。

(2)焊縫金屬在冷卻過(guò)程中體積發(fā)生收縮，尤其是大厚度焊縫，焊縫中填充金屬多，收縮量大。這種收縮也會(huì)產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

(3)焊接時(shí)，金屬加熱到很高溫度，加上結(jié)構(gòu)大而厚，散熱快，因此，隨后的冷卻溫度特別快，金屬內(nèi)部組織會(huì)發(fā)生很大的變化。由于各種金屬組織比重不同，冷卻后體積變化也不同，這種體積變化也受到周圍未經(jīng)組織變化金屬的約束，其結(jié)果使金屬內(nèi)部產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力，也會(huì)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

3.焊接工藝的影響

(1)焊接線能量的影響

由于結(jié)構(gòu)本身大而厚，加上實(shí)際焊接生產(chǎn)中一般都選用較大的焊接線能量，這樣在熱影響區(qū)由于容易產(chǎn)生過(guò)熱組織使這部分金屬晶粒粗大，降低了焊接接頭的抗裂性能而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

(2)預(yù)熱溫度的影響

低合金耐熱鋼預(yù)熱溫度為200-250℃左右，可減緩焊接時(shí)的溫度應(yīng)力，防止冷裂紋的產(chǎn)生。因此，嚴(yán)格地選擇預(yù)熱溫度及預(yù)熱方法非常重要。但是施工現(xiàn)場(chǎng)由于條件的限制，預(yù)熱溫度控制得很不準(zhǔn)確，預(yù)熱時(shí)不控制加熱速度，使得外表面很熱而內(nèi)壁還是冷的，這樣造成測(cè)量預(yù)熱溫度時(shí)的虛假現(xiàn)象，從而容易造成較大的溫差應(yīng)力導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

[1]JB4708-2000.鋼制壓力容器焊接工藝評(píng)定.

[2]JB4709-2000.鋼制壓力容器焊接規(guī)程.

[3]JB4744-2000.鋼制壓力容器產(chǎn)品焊接試板的力學(xué)性能檢驗(yàn).

[4]GB150-1998.鋼制壓力容器.