關(guān)于高壓加熱器管板焊接裂紋的探討

摘 要：焊接裂紋是金屬焊接作業(yè)中經(jīng)常出現(xiàn)的不利因素，對(duì)于高壓加熱器而言，由于設(shè)備內(nèi)部壓力較大，裂紋對(duì)整個(gè)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生很大威脅。文章以一個(gè)現(xiàn)實(shí)存在焊接裂紋的高壓加熱器為例，介紹了高壓加熱器管板焊接裂紋的種類，從管板的化學(xué)成分、力學(xué)性能、預(yù)熱寬度等方面探究裂紋出現(xiàn)的原因，并對(duì)裂紋進(jìn)行了修復(fù)。

關(guān)鍵詞：高壓加熱器；焊接裂紋；定性；原因；修復(fù)

1 焊接裂紋定性分析

1.1 焊接裂紋常見(jiàn)類型

所謂焊接裂紋就是金屬焊接時(shí)焊縫表面或內(nèi)部存在的裂縫。焊接裂紋產(chǎn)生的原因是焊縫附近金屬的原子結(jié)構(gòu)被破壞，重構(gòu)時(shí)金屬原子結(jié)構(gòu)未恢復(fù)。導(dǎo)致金屬原子結(jié)構(gòu)破壞的原因有很多，如焊接應(yīng)力以及諸多致脆因素。針對(duì)高壓加熱器而言，焊接裂紋出現(xiàn)的原因主要有以下四種：（1）熱裂紋。熱裂紋出現(xiàn)于焊接產(chǎn)生的高溫中，當(dāng)焊縫冷卻時(shí)，焊縫沿著奧氏體晶界分布。熱裂紋的特點(diǎn)在于裂紋所處位置大多在焊縫中心，而且焊接后裂縫會(huì)當(dāng)場(chǎng)顯現(xiàn)。而且裂紋的表面有著較強(qiáng)的氧化特性，所以裂紋斷面呈現(xiàn)顯著的藍(lán)灰顏色。熱裂紋產(chǎn)生的最主要原因是焊接時(shí)焊接熔池中有低熔點(diǎn)的雜質(zhì)，焊接結(jié)束后這些雜質(zhì)冷卻凝固的速度比金屬慢，凝固后的強(qiáng)度較低。當(dāng)外界結(jié)構(gòu)具有一定約束應(yīng)力時(shí)，帶有雜質(zhì)的部分容易受金屬冷縮和不均勻的冷熱影響而被拉開(kāi)，導(dǎo)致晶間開(kāi)裂產(chǎn)生裂紋。（2）冷裂紋。與熱裂紋不同的是，冷裂紋產(chǎn)生于焊縫冷卻到比較低的溫度。冷裂紋產(chǎn)生的原因是焊接部位受焊接熱循環(huán)的影響，產(chǎn)生了淬硬組織。產(chǎn)生冷裂紋的焊縫常常聚集著大量的擴(kuò)散氫，且接頭上存在有很大的拘束應(yīng)力。冷裂紋有可能焊后立即出現(xiàn)，也可能焊接作業(yè)完成幾小時(shí)后，甚至幾天后才出現(xiàn)。從外觀上來(lái)看冷裂紋常呈縱向分布，且裂紋斷面呈現(xiàn)金屬光澤的脆性斷裂狀態(tài)，沒(méi)有氧化特征。（3）再熱裂紋。這種裂紋主要金屬結(jié)構(gòu)的焊縫在消除應(yīng)力退火時(shí)，因?yàn)樵俅渭訜岙a(chǎn)生的。再熱裂紋一般沿融合線方向分布。（4）層狀撕裂。層狀撕裂一般常見(jiàn)于高強(qiáng)度鋼的焊接作業(yè)中，實(shí)質(zhì)上是一種特殊的冷裂紋。其形狀為平行和垂直于鋼板水平方向的臺(tái)階狀裂紋。這種裂紋常出現(xiàn)在焊接熱量能影響到的部分。

1.2 焊接裂紋類型分析

根據(jù)前文介紹的焊接裂紋的不同特征，可以從焊接對(duì)象特點(diǎn)、裂紋出現(xiàn)時(shí)間、裂紋存在的位置、裂紋的外觀等方面著手，對(duì)裂紋的類型進(jìn)行定性分析。

以某公司剛制造的高壓加熱器為例。該高壓加熱器焊接剛結(jié)束時(shí)進(jìn)行了外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)裂紋存在。焊接完成24小時(shí)之后，對(duì)高壓加熱器進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)管板與管子間焊縫存在裂紋。裂紋沿管子分布，裂紋斷面呈現(xiàn)金屬光澤，且裂紋處管壁已穿透。根據(jù)裂紋出現(xiàn)的時(shí)機(jī)和特征可以判斷，此處裂紋為冷裂紋。發(fā)現(xiàn)裂紋后，高壓加熱器送去返修。返修時(shí)，按照之前的焊接工藝對(duì)焊縫進(jìn)行重新焊接，但15小時(shí)后裂紋再次出現(xiàn)，需要尋求新的修補(bǔ)方法。

2 焊接裂紋形成的原因

2.1 焊鋼的淬硬性

淬硬性指鋼在淬火時(shí)的硬化能力，如果所用焊鋼的淬透性強(qiáng)，則其焊縫的應(yīng)淬硬效果就更加明顯。因此，焊縫的硬度周邊金屬區(qū)域的硬度高于其它區(qū)域，形成了馬氏體組織。此時(shí)焊縫根部的缺口會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，造成焊縫根部產(chǎn)生縱向的裂紋。

2.2 氫的影響

氫也會(huì)導(dǎo)致管板焊縫裂紋的產(chǎn)生。事實(shí)上，焊接作業(yè)中氫有很多來(lái)源。比如所用的鋼材在冶煉時(shí)就可能殘留有氫，焊條、焊件甚至空氣中存在的水分子也會(huì)產(chǎn)生氫，接頭處的材料也可能存在碳?xì)浠衔铩Ｗ鳂I(yè)過(guò)程中，擴(kuò)散氫不斷生成并可能會(huì)有聚集效應(yīng)，如果此時(shí)熔池的冷卻凝固速度較快，部分?jǐn)U散氫就來(lái)不及逸散，最終導(dǎo)致焊縫根部出現(xiàn)細(xì)小的裂紋。擴(kuò)散氫造成的裂紋分布主要受氫的擴(kuò)散速度、壓力和接頭的應(yīng)力狀態(tài)影響，因而呈現(xiàn)不同的分布態(tài)勢(shì)。

2.3 焊縫根部塑性的影響

焊縫根部塑性是由焊縫處的合金成分決定的，若合金成分恰當(dāng)，則此處焊縫將有足夠的強(qiáng)度和良好的塑性；若合金成分不恰當(dāng)，則焊縫分布的塑性差，容易受其他因素影響產(chǎn)生裂紋。

2.4 應(yīng)力的影響

應(yīng)力是裂紋產(chǎn)生的最根本原因之一。對(duì)于一個(gè)較為復(fù)雜的焊接接頭而言，其中往往同時(shí)存在著多種應(yīng)力，如裝配應(yīng)力、內(nèi)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)剛性引起的外部約束應(yīng)力和馬氏體轉(zhuǎn)變形成的組織應(yīng)力等。如果焊縫處的塑性或強(qiáng)度不夠，就會(huì)裂開(kāi)產(chǎn)生裂紋。值得一提的是，如果所焊接的對(duì)象有著很大約束時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較高的約束應(yīng)力，此時(shí)就算氫和馬氏體的量控制在安全范圍內(nèi)，焊接處也可能產(chǎn)生裂紋。

2.5 實(shí)際應(yīng)用舉例

在簡(jiǎn)單了解裂紋產(chǎn)生的常見(jiàn)原因后，再對(duì)上文提到的高壓加熱器進(jìn)行分析。根據(jù)實(shí)際檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該高壓加熱器的材料化學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性能均符合設(shè)計(jì)要求，焊材合格，且保存良好。加熱器制造前公司對(duì)制作試件進(jìn)行工藝評(píng)定，并未出現(xiàn)裂縫，而該高壓加熱器的管板接頭處各項(xiàng)參數(shù)都符合工藝評(píng)定所能覆蓋的范圍。加熱器制造的時(shí)間為秋季非陰雨天氣，地點(diǎn)在廠房?jī)?nèi)，空氣濕度較低。可以認(rèn)為裂紋產(chǎn)生的原因與焊接材料、氫等因素?zé)o關(guān)。

經(jīng)繼續(xù)觀察發(fā)現(xiàn)，該高壓加熱器的管板厚度和管壁的厚度相差很大，端蓋的厚度為148毫米，而管壁厚度僅有14毫米。因此，在焊接過(guò)程中，管板和管壁冷卻狀況不同，集水管管壁單位體積上的熱量更大，且熱量擴(kuò)散更慢，因此冷卻時(shí)間長(zhǎng)，管板冷卻時(shí)間相對(duì)短，導(dǎo)致焊縫處承受很大的內(nèi)應(yīng)力。另外，根據(jù)調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際焊接中預(yù)熱寬度不夠，工人僅對(duì)焊縫附近100毫米部分進(jìn)行了預(yù)熱，遠(yuǎn)未達(dá)到要求，導(dǎo)致焊件冷卻速度超過(guò)預(yù)想，應(yīng)力加大，客觀上為裂紋出現(xiàn)起到輔助作用。

3 工藝修改驗(yàn)證

3.1 工藝改進(jìn)

（1）焊前預(yù)熱和焊后熱處理。焊前預(yù)熱可以有效防止焊接時(shí)管板與集水管因受熱不均導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)裂紋。焊后熱處理則可以延長(zhǎng)冷卻的時(shí)間，使焊縫中的氫充分逸出，同時(shí)也能降低焊縫處存在的應(yīng)力，減少材料的淬硬性。（2）清潔焊材。焊材在存放時(shí)，必須仔細(xì)保管，不得受潮。使用前必須預(yù)先烘干，以降低氫含量。通常烘干溫度在350攝氏度左右，烘干時(shí)間2小時(shí)。且烘干后的焊條要放在專門(mén)的容器內(nèi)，以防再次受潮。（3）提高裝配質(zhì)量。在進(jìn)行裝配時(shí)要注意裝配的質(zhì)量，不能留的縫隙太大，導(dǎo)致焊接時(shí)焊縫未焊透、夾渣以及成型不良等情況出現(xiàn)。另外，裝配時(shí)盡量不要使用夾具，以免為焊縫施加過(guò)大的約束應(yīng)力或裝配應(yīng)力。（4）優(yōu)化焊接設(shè)計(jì)。大量例子表明，熔深較大的對(duì)接焊縫更容易產(chǎn)生裂紋。我們可以通過(guò)優(yōu)化焊縫設(shè)計(jì)的方式來(lái)降低裂紋出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。例如，將原來(lái)的V字型鋼板坡口改為X型不對(duì)稱坡口，這樣一來(lái)不僅減少了單側(cè)焊縫的熔敷金屬，更能夠減少拉伸應(yīng)力對(duì)焊縫的影響。在對(duì)多個(gè)構(gòu)件進(jìn)行連接時(shí)，要避免焊縫集中在一個(gè)區(qū)域或者焊縫三相相交。焊縫布置要均勻，寬度應(yīng)合適。另外，還可以對(duì)焊接的流程進(jìn)行優(yōu)化，采取更合適的焊接工序，避免仰焊，減少殘余應(yīng)力和焊接變形。

3.2 裂紋修補(bǔ)

對(duì)于已經(jīng)產(chǎn)生裂紋的，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行修補(bǔ)。通常都采用挖補(bǔ)法來(lái)修復(fù)裂紋，即將有裂紋分布的部分磨掉形成坡口，然后再用焊條修補(bǔ)。在修復(fù)時(shí)，不僅要使用3.1中改進(jìn)后的工藝，且要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行一些額外工作。例如在對(duì)上文例子中的高壓加熱器管板裂紋修復(fù)時(shí)，工人采取了錘擊法以消除應(yīng)力，且在焊后進(jìn)行了消氫處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)高壓加熱器管板焊接裂紋的種類、產(chǎn)生原因以及如何通過(guò)改進(jìn)工藝和修補(bǔ)來(lái)消除焊接裂紋，并通過(guò)全程貫穿的實(shí)例為讀者進(jìn)行了詳細(xì)解釋，相信可以為降低高壓加熱器管板焊接裂紋的產(chǎn)生概率提供有力的幫助。

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