不銹鋼復合板筒體出現裂紋的原因及防止措施

摘 要：復合板設備成型時有其自身特點，對焊接工藝和坡口形式有特殊要求。在生產不銹鋼復合板筒體的過程中經常會出現裂紋等問題，直接影響到其質量。文章就針對這方面問題進行闡述，并提出相應的解決措施。

關鍵詞：不銹鋼復合板；坡口；過渡層；焊接

1 概況

因為不銹鋼復合板兼有不銹鋼的耐蝕性和碳鋼的價格及強度優勢，隨著它的制造技術日漸成熟，在容器器制造中的應用日益廣泛。某容器制造廠，制作了幾臺主材為16MnR+OCr18Ni9的不銹鋼復合板，規格有（25+3）mm，（28+3）mm的壓力容器。在首臺壓力容器制造中筒節既沒有留型遒，也沒預壓的情況下，筒節縱縫全部焊完后，校圓時發現在焊縫中及熱影響區有裂紋出現，裂紋方向沿著焊縫，有的在復層，有的在基層，有的甚至從基層裂到復層。為此技術人員分析原因，制定處理措施。

2 原因分析

筒節發生裂紋后，查看了原材料，基層、復層及復合板的化學成分，機械性能都符合相關標準要求。由于裂紋出現在筒節校圓后的焊縫和焊縫的熱影響區，故從以下方面進行分析。

2.1 16MnR和OCrI 8Ni9是兩種不同的材質，其化學成分、物理性能及晶體組織存在很大差異，導致在焊接中容易出現以下問題。

2.1.1 16MnR和OCrl 8Ni9在焊接過程中稀釋作用強烈，使過渡層、復層焊縫中含碳量增多，增大了結晶裂紋傾向；焊接熔合區則可能出現馬氏體組織而導致硬度和脆性增加；同時由于基層與復層的含鉻量差別較大，促使碳向復層遷移擴散，在其交界處的焊縫金屬區域形成增碳層和脫碳層，即在基層側（16MnR）形成脫碳層，而在復層側（OCrI 8Ni9形成增碳層，兩側性能相差懸殊，這一過渡層的存在往往使塑性性能局部惡化，該過度層導致筒節在校圓承受壓應力時容易出現裂紋。

2.1.2 由于復層和基層材料的導熱系數和線膨脹系數相差較大，不銹鋼的導熱系數約為碳鋼的1I3，線膨脹系數是碳鋼的1.5倍，隨著溫度的升高，膨脹的差值也相應地增加。因此復合板在焊接過程中，多次熱循環會使焊接接頭內部產生很大的內應力。同時由于在焊接過程中，加熱和冷卻的不均勻，使得沿基層厚度的方向上產生很大的殘余應力，這種殘余應力在復層表面上形成拉伸應力，造成了復合鋼板焊接后復層表面易產生裂紋，特別是微裂紋較為明顯。而這些微裂紋在筒節校圓過程中則使裂紋擴展，形成更大的裂紋。

2.1.3 焊縫熱影響區處性能薄弱，筒節校圓是一種加壓過程，在加壓過程中熱影響區易產生裂紋。

2.2 坡口形式及焊接工藝不合理

2.2.1 坡口形式及相應的焊接工藝不合理。以板材厚度規格為（28+3）mm為例，原來筒節的縱焊縫的坡口形式如圖1所示。

圖1

焊接工藝

①手工氮弧焊封底（TGFA-308L）；②手工電焊（A302）；③手工電焊（J507）；④埋弧焊（（H10MnSi+SJ 101）

2.2.2 坡口形式的不合理有以下幾個方面：（1）因為不銹鋼復合板的焊接關鍵是在基層與復層的交界處（即過渡層），通過前面的分析知道，此處易出現應力集中、馬氏體組織和熱裂紋等缺陷，此種坡口形式及焊接工藝雖然減小了清根的工作量，但對復層的焊接高度不好控制，加上錯邊量的影響，基層與復層交界處（即過渡層）的位置也不好確定，也就談不上對各種缺陷的控制。（2）焊接復層時合金元素很容易熔入基層母材中，造成對復層焊縫的稀釋，易出現馬氏體組織。

2.3 筒節制作工藝不合理

筒節在滾圓前應增加壓頭工序，但該廠在采購板材時，為了節約成本，按封頭實際周長展開尺寸采購板材，沒留帶頭板；也沒有進行壓頭，加上板材又比較厚，筒節直徑比較小（中1000mm），要想使己經焊接完畢的筒節上焊縫兩邊較短的直邊段變成圓形，就需要在筒節校圓過程中，施加很大的壓力；筒節校圓過程中筒節的受力情況就比較復雜，既有來自于上輥向下的壓力，也有輥子向兩側的切向力，此時焊縫內側處于受壓區，外側是受拉狀態，特別是由于筒體焊縫內外余高都沒有打磨導致受力不均勻，在焊縫經過上輥時，前進后退過程中沖擊力較大，導致基層外側焊縫熱影響區處容易產生裂紋。由于直邊段的存在，在筒節校圓過程中，施加在焊縫兩邊的直邊段的壓應力很大，相應地在焊縫兩側外表面產生很大的拉應力，當拉應力超過焊縫或熱影響區材料的強度極限時，裂紋就出現了。

3 采取的措施

3.1 在筒體卷圓前，增加壓頭工序，筒節焊縫處基本沒有直邊存在，曲率比不壓頭時的曲率要大，則校圓過程中的塑性變形較小，加載的壓力相對于不壓頭時要小得多，此時焊縫及熱影響區承受的壓力也較小，也就減小了出現裂紋的可能性。

3.2 在焊完基層后，不焊過渡層和復層就校圓。因為焊過渡層及復層時，對焊縫及熱影響區處基層的各種性能影響很大，還有可能出現馬氏體組織，在校圓過程中就很容易出現裂紋。

3.3 焊縫的坡口形式及焊接工藝需要修改。復合板一般較厚，所以焊接方法一般基層采用埋弧自動焊，復層采用手工焊。焊接坡口的選擇原則是基體熔合的焊縫金屬量愈少愈好，即熔合比越小越好，其目的是減少馬氏體組織，避免或減少出現冷裂紋。同時為了減少合金元素的稀釋，也應減小熔合比，采用小電流，快速進行焊接。需要指出的是，線能量不能過小，也不能過大。線能量過小，會增大熔合區的硬化程度，對韌性和防止裂紋不利，極易出現再熱裂紋；線能量過大，會促使馬氏體組織的形成，同時增大了奧氏體過熱，易使焊縫脆化。所以說，只有選擇適中的線能量，才能既保證熔合比較小，又能防止再熱裂紋及脆化。仍以板厚規格為（28+3）mm為例，坡口形式如圖2所示。此種坡口形式使基層與復層嚴格區分開，使基層與復層的交界處遠離焊接熱量集中區，避免了基層焊接時復層的分層，有利于防止復層被污染。

圖2

保證過渡層及復層的焊接質量。由于復層受基層的稀釋作用，過渡層易產生馬氏體組織。為避免出現馬氏體，過渡層的焊接采用小直徑，高鉻、猛鎳焊條，并采用合適的小線能量、短弧焊、快速焊，焊條不允許做橫向擺動，以降低對復層的稀釋，并控制過渡層和復合層的層間溫度不超過100℃，保證接頭的耐蝕性能，焊過渡層時要求打磨內側基層焊縫，使其余高為零，先焊基層與復層交界處焊縫：最后焊復層。

4 結束語

通過采取以上措施，效果非常明顯，該廠在后面的不銹鋼復合板設備制造中采取以上措施后，在筒節的焊縫及熱影響區處，沒有出現裂紋，焊接接頭作的晶間腐蝕試驗也符合有關標準的要求，提高和穩定了產品質量，并形成了成熟的制造工藝。

4.1 筒節卷制前，如果沒留帶頭板，應進行預壓。

4.2 坡口形式盡量選用剝離復層的方式，而且一定要將復層剝離干凈，使基層與復層的交界處遠離焊接時熱量集中區。

4.3 過渡層焊接時，先焊基層與復層的交界處，過渡層及復層的焊接應采用小直徑、快速、短弧焊，避免焊條的橫向擺動，并注意控制過渡層及復層的層間溫度，保證焊縫的耐蝕性能。

參考文獻

[1]李玉虎，等.904L復合板水合反應器的制造[J].壓力容器，2009-9.