陽極爐爐口檢修焊接裂紋的處理

張祥敏 楊榮山

（錦西工業學校)

0 前言

陽極爐是銅冶煉重要設備，爐子本體為鋼結構，內部砌筑耐火材料。由于爐子經常轉動傾倒，出銅、放渣，溫差變化較大，受急冷急熱影響，易產生變形、滲漏等情況。因此，需要對陽極爐爐口不定期進行更換及檢修。在設備檢修過程中，冬季外部施工的情況越來越多,出現了一些因低溫環境焊接引起裂紋的情況，因此研究低溫環境下焊接裂紋問題是非常必要的。

本文結合葫蘆島鋅廠東方銅業有限公司陽極爐爐口與爐體對接焊縫出現焊接裂紋這一情況，詳細分析了低溫環境下焊接導致裂紋產生的各種因素，并從施工規范、預熱溫度、焊后保溫等方面采取了質量控制措施，從而防止了焊接裂紋的產生，保證了低溫環境下的焊接檢修質量。陽極爐爐口結構如圖1所示 （焊縫高度12 mm）。

圖1 陽極爐爐口結構

1 焊接工藝參數

焊接施工主要的物理參數和環境參數如下：

（1） 板厚： δ=20 mm。

（2） 材質： 16Mn (C:0.15；Mn:1.42；Si:0.50；P:0.016； S:0.022)。

（3）接頭型式：V型坡口角接 （嵌入式）。

（4） 環境溫度： -12～-10 ℃。

（5）風力：偏北風4～5級。

焊接施工采用的焊接方法、焊材及規格如下所示：

（1）手工電弧焊。 （2）直流電焊機。 （3）焊接電流180 A。 （4）焊條規格及材質覫5、結507。

2 出現的問題

本次檢修更換的爐口材料為 16Mn鋼 （Q345鋼），是屈服強度大于350 MPa的普通低合金鋼。Q345鋼含有一定的合金元素，碳當量值為0.39%，具有一定的淬硬傾向，一般情況下不采取預熱措施，采用堿性低氫型焊條即可保證焊接質量。但在此次檢修過程中發現，爐口與爐體對接焊縫中出現了縱向裂紋（見圖1）。

3 裂紋產生的原因

首先分析判斷焊接出現的裂紋屬于哪種裂紋。由于陽極爐爐口的焊接是在低溫下進行的 （環境溫度-12～-10℃），板材較厚，有一定淬硬性和熱應變脆化傾向。裂紋產生的部位是在焊縫中間且為縱向裂紋，斷口有光澤。根據當時的焊接條件、工藝操作及焊接材料等分析，初步判斷為焊接冷裂紋。

當氣溫較低或板厚較大時,焊接16Mn鋼若不采取適當的預熱措施或焊接工藝不當，就可能會產生冷裂紋。通常，產生冷裂紋的原因主要有以下幾項。

（1）擴散氫的作用

在焊縫中隨著擴散氫含量的提高，冷裂紋數增加，而且擴散氫還影響冷裂紋延時的長短。一般氫的來源主要是焊接材料中的水分、焊接區域的油污、鐵銹、水以及大氣中的水汽等。這些水或有機物經電弧高溫作用分解出氫原子進入熔池中，并在焊縫中呈過飽和狀態，形成對冷裂紋起主要作用的擴散氫。擴散氫含量越高，產生裂紋的幾率越大。

此焊縫使用的是堿性焊條，因為是檢修，焊工沒有重視，在焊接之前沒有對焊條進行嚴格烘干和保溫，對焊縫兩側清理也不徹底，所以擴散氫的作用可能是產生裂紋的原因之一。

（2）接頭淬硬組織的影響

熱影響區馬氏體組織數量越多，越容易產生裂紋。無論焊縫的表面、斷面或根部，裂紋生成率均隨冷卻速度的增大和馬氏體數量的增多而增大。

該構件材質為16Mn鋼，是典型的熱軋鋼，其淬硬傾向比低碳鋼大。一般在低溫下焊接或在大剛度、大厚度結構上焊接時，為防止冷裂紋的出現均應采取焊前預熱的措施。此焊縫當時焊接的環境溫度較低，大約-12～-10℃，焊工在沒有預熱的情況下焊接 （按照規范要求在攝氏0℃以下焊接應采取保溫措施），使得16 Mn鋼在連續冷卻時珠光體的轉變大大往后推遲，在快速冷卻過程中鐵素體析出后剩下的富碳奧氏體來不及轉變為珠光體，最后轉變為含碳較多的馬氏體。此外，該構件比較厚，結構剛性較大，所以接頭的淬硬傾向較大、韌性低，這可能也是其產生冷裂紋的原因。

（3）焊接接頭拘束應力的影響

焊接接頭的應力在形成冷裂紋過程中起著決定性的作用。焊接件的局部加熱，會在焊接件上產生不均勻的溫度場，使材料產生不均勻膨脹。處于高溫區的材料受到周圍溫度較低、膨脹量較小的材料的限制而不能自由地膨脹，即焊接件內出現內應力，高溫區的材料受到擠壓，產生局部壓縮性應變。在冷卻過程中，經受壓縮性應變的材料，由于不能自由收縮而受到拉伸，于是焊件中又出現了一個與焊件加熱方向大致相反的內應力場。另外，由于構件受到焊接熱循環的作用，使焊縫金屬的內部組織發生了不同的變化，產生相變應力。除以上兩種原因之外，如果焊件被剛性固定或焊件之間相互牽制，也會在焊接件中產生焊接應力。

由于爐口與爐體為嵌入式的角接結構 （長方形爐口2000 mm×1500 mm，為預制品），焊接時焊縫之間受到的相互牽制作用較大，所以焊接時產生較大的拘束度。由于焊接時產生的內應力和相變產生的組織應力的作用，再加上沒有采取松弛應力的措施，致使應力過大處產生裂紋。由此可以推斷這也是其產生裂紋的原因。

此外，焊接線能量過小、焊接速度過快等焊接參數選擇不當也可能是出現裂紋的原因。

4 防止焊接裂紋的措施

對冷裂紋的出現，必須采取切實可行的措施來解決。通常可采取以下一些措施：

（1）減少氫的來源，焊條要烘干，要對坡口進行處理等。

焊條按工藝要求在350～400℃溫度下烘干，且烘干時長為2 h，烘干后放在 100～150℃保溫筒內，隨用隨取。焊前對坡口兩側清理打磨干凈，盡量做到無油、無銹、無水。

（2）避免產生淬硬組織，焊前預熱、焊后緩冷，降低焊后冷卻速度，以減少馬氏體組織的產生。

因在冬季檢修，環境溫度低，所以搭設保溫棚，以保證施焊時的環境溫度。此外，焊前必須預熱至100～150℃，焊接過程中必須控制層間溫度≤400℃，以確保焊接質量。

（3）采用合理的焊接工藝以降低焊接應力，還可采取焊后熱處理等措施來消除焊接應力。

焊后消除應力熱處理溫度為600～650℃，保溫時間2.5 min/mm。焊后還可采取一定的松弛應力措施，如用小錘錘擊坡口及焊道兩側。

（4）在焊接過程中要很好地控制熱輸出，以減少焊接部位的滲碳、減輕淬硬。盡量使焊接線能量大一些 （I=210～240 A）、 焊速慢一些。

（5）焊后滲油檢驗。

5 結語

在冬季檢修施工時，陽極爐爐口焊縫出現了裂紋。我們從分析裂紋產生的原因入手，在實踐中總結出采取控制擴散氫的來源、焊前預熱、焊后后熱以及控制焊接熱輸入等措施，解決了焊接裂紋的問題。經過檢驗，采取這些措施后得到的焊縫完全合格，從而陽極爐爐口的檢修工作得以圓滿完成。