16MnR鋼埋弧焊終端裂紋的成因及防止措施

摘 要：針對(duì)16MnR鋼制壓力容器筒體縱焊縫自動(dòng)埋弧焊時(shí)焊縫終端易形成裂紋的問(wèn)題，分析其產(chǎn)生原因，并采用改進(jìn)熄弧板等措施，最終取得了防止裂紋的滿(mǎn)意效果。

關(guān)鍵詞：16MnR鋼 埋弧焊 裂紋 熄弧板

中圖分類(lèi)號(hào)：TG40文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-9082（2019）10-0228-02

前言

16MnR鋼是一種具有較高強(qiáng)度和韌性以及良好焊接性的低合金鋼，目前被廣泛應(yīng)用于壓力容器、船體、鍋爐等焊接結(jié)構(gòu)的制造。其中壓力容器筒體的主對(duì)接焊縫主要采用自動(dòng)埋弧焊這種效率高、勞動(dòng)條件相對(duì)較好的焊接方法。但在對(duì)中板（δ≥20mm）16MnR鋼制壓力容器的焊接過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其筒體縱焊縫終端經(jīng)常出現(xiàn)較短的裂紋，對(duì)此一直沒(méi)能有一個(gè)較好的解決辦法，只能通過(guò)返修來(lái)解決，甚至因幾次返修不合格而只能報(bào)廢，延長(zhǎng)了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，增加了產(chǎn)品的制造成本。所以，分析此裂紋的形成原因并尋求出相應(yīng)措施具有十分現(xiàn)實(shí)的意義。

一、裂紋特點(diǎn)

1.裂紋所處位置及形狀

裂紋位于筒體縱縫的末端，在進(jìn)行焊縫返修時(shí)發(fā)現(xiàn)，該裂紋位于第一道焊縫的根部，有時(shí)也擴(kuò)展到焊縫的表面。從X射線底片上觀察，一般出現(xiàn)在靠近熄弧板的焊縫終端0～150mm范圍內(nèi)，較細(xì)、呈淺黑色且長(zhǎng)度較短，位置如圖1所示。

2.裂紋的影響因素

隨著母材板厚增加，焊縫終端產(chǎn)生裂紋的幾率增大;在其它焊接規(guī)范參數(shù)一定的情況下，焊接電流越大，焊接速度越小，產(chǎn)生裂紋的幾率也越大。且在焊接其它低合金鋼（δ≥20mm）時(shí)，也發(fā)現(xiàn)有類(lèi)似現(xiàn)象。

二、終端裂紋產(chǎn)生原因分析

1.鋼材的焊接性分析

16MnR鋼是我國(guó)壓力容器行業(yè)使用最廣泛的一種低合金高強(qiáng)度鋼，其焊接工藝成熟。根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）推薦的碳當(dāng)量公式計(jì)算：

CE（IIW）= C + Mn/6 + （Cr + Mo + V）/5 + （Ni + Cu）/15

其碳當(dāng)量值小于0.5%，可見(jiàn)裂紋敏感性小，焊接性好，并且我們對(duì)多種厚度規(guī)格的16MnR鋼板的埋弧焊工藝作過(guò)焊接工藝評(píng)定，試板從未出現(xiàn)過(guò)裂紋，且拉伸、彎曲等力學(xué)性能試驗(yàn)均符合GB150-1989《鋼制壓力容器》的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，證明其焊接工藝合理。

在產(chǎn)品制造中采用的原材料16MnR鋼板及埋弧焊用焊絲H10Mn2和焊劑HJ431的化學(xué)成分均符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，見(jiàn)表1。

綜上所述，母材的焊接性、工藝規(guī)范及焊接材料均不是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的原因。

2.殘余應(yīng)力的影響

壓力容器筒體卷圓時(shí)，在金屬內(nèi)部存在冷作殘余應(yīng)力，在焊接過(guò)程中，母材進(jìn)行再結(jié)晶時(shí)，在焊接接頭區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生新的焊接應(yīng)力。另外，筒節(jié)卷圓時(shí)受下料尺寸精度、卷板機(jī)精度和操作者技能的影響，縱縫接頭在組裝定位焊時(shí)，存在著強(qiáng)行組裝現(xiàn)象，導(dǎo)致在定位焊焊道內(nèi)留下較大的拉伸和剪切應(yīng)力，如圖2所示。

3.焊接變形的影響

由于焊接接頭區(qū)域加熱和冷卻的不均勻性，使各部分金屬發(fā)生的相變過(guò)程不一樣，當(dāng)溫度恢復(fù)到原始的均勻狀態(tài)后，焊縫必然產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和變形。同時(shí)在焊接時(shí)，在長(zhǎng)度和厚度方向出現(xiàn)錯(cuò)邊變形，這種變形所產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力疊加到一起，使定位焊焊道內(nèi)應(yīng)力更加復(fù)雜。而且筒體越長(zhǎng)，熔池越接近終端時(shí)，各種變形量越大，應(yīng)力和應(yīng)變的累計(jì)使終端的定位焊焊道應(yīng)力值迅速增加。

4.熄弧板的作用和影響

在鍋爐壓力容器的制造過(guò)程中，對(duì)于筒體的焊接，尤其是縱焊縫的焊接，都要有引弧板和熄弧板。其中，熄弧板有兩方面的作用：一是焊縫焊完后將整個(gè)熔池引到熄弧板上再結(jié)束焊接，可防止收弧處熔池金屬流失或留下弧坑，保證焊縫末端質(zhì)量;二是對(duì)焊縫末端起固定作用。當(dāng)焊接熔池進(jìn)行到焊縫終端，把最后一個(gè)定位焊道熔化時(shí)，定位焊道被加熱到無(wú)強(qiáng)度狀態(tài)，失去了對(duì)筒體縱焊縫的固定作用，此時(shí)熄弧板就替代了定位焊，并且應(yīng)有足夠的拘束力固定筒體，以阻止筒體縱縫終端變形。如圖3所示。

當(dāng)焊接電弧到達(dá)終端時(shí)，最終定位焊焊道被加熱到塑性或熔化時(shí)，原來(lái)所受拘束被釋放。焊縫在縱向A-A、橫向B-B、B?-B?方向產(chǎn)生熱膨脹變形，同時(shí)原來(lái)存在的剪切應(yīng)力τz和橫向的焊接殘余拉應(yīng)力σy引起厚度方向錯(cuò)邊和橫向變形。由于自動(dòng)埋弧焊焊接熱輸入大，焊接溫度場(chǎng)熔池的構(gòu)造很復(fù)雜，焊接熱變形大，有時(shí)終端定位焊道已完全熔化，已經(jīng)結(jié)晶的焊縫對(duì)前方熔池周?chē)木惺^薄弱，熄弧板接受的熱量較多，常常由于自身溫度過(guò)高而失去剛度，從而也失去了對(duì)焊縫終端的拘束作用。實(shí)際上形成了終端無(wú)拘束狀態(tài)，此處集中的應(yīng)力進(jìn)而將未完全結(jié)晶的焊縫金屬或溫度未達(dá)到足夠高的焊縫金屬拉裂而形成較細(xì)、較短的裂紋，有時(shí)是數(shù)條裂紋。這就是筒體縱縫埋弧自動(dòng)焊產(chǎn)生終端裂紋的最主要原因。

三、預(yù)防終端裂紋的措施

從以上分析可以看出，終端裂紋產(chǎn)生的主要原因是：定位焊焊道被熔化;熄弧板又因受熱溫度過(guò)高失去剛度，從而形成焊縫終端無(wú)拘束狀態(tài)。因此，防止終端裂紋產(chǎn)生主要是應(yīng)加強(qiáng)焊縫終端的拘束固定作用，以減小應(yīng)力對(duì)焊縫金屬的拉裂作用。在生產(chǎn)中可采用以下兩條措施：

1.終端定位焊焊道放在焊縫后焊面，且其焊縫截面應(yīng)較厚，一般應(yīng)占板材厚度的1/3，且宜靠近向筒體焊縫的未端。這樣加強(qiáng)了定位焊焊道對(duì)焊縫末端的拘束作用。

2.改進(jìn)熄弧板，在普通熄弧板的兩側(cè)開(kāi)兩條對(duì)稱(chēng)的小槽，即彈性熄弧板，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖中的a 、b、L、B的尺寸分別為150mm、150mm、220mm、250mm，板材厚度為δ（筒體厚度）+4mm。該熄弧板的優(yōu)點(diǎn)是把熄弧功能和固定功能有機(jī)地分開(kāi)。熄弧板兩側(cè)的縫隙較有效地將熱隔離開(kāi)，以保證起固定作用的部分有足夠的溫度繼續(xù)對(duì)焊縫終端固定，使工件未端在縱向、橫向引起的變形量都降低。

四、實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

1.焊接模擬實(shí)驗(yàn)

一共對(duì)四種板厚分別為20 mm、22 mm、28 mm、30 mm的16MnR鋼焊接試板進(jìn)行模擬實(shí)際焊縫試驗(yàn)。焊接設(shè)備為MZ-1000型自動(dòng)埋弧焊機(jī)，焊接材料為H10Mn2焊絲配合HJ431焊劑，焊前對(duì)焊劑進(jìn)行250℃×2h的烘烤。其中，厚度為20 mm、22 mm的板開(kāi)“Y”型坡口，厚度為28 mm、30mm的板開(kāi)“X”型坡口，采用雙面焊，實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析表明：

（1）隨著板厚的增加，結(jié)構(gòu)剛性增大，筒體末端裂紋出現(xiàn)的幾率也增大。

（2） 采取如前所述的改進(jìn)措施，增強(qiáng)對(duì)筒體縱縫末端的剛性固定作用，同時(shí)采用合理的焊接工藝參數(shù)，控制第一道焊縫的焊接參數(shù)，可以防止終端裂紋的出現(xiàn)。

結(jié)論

針對(duì)δ≥20mm的16MnR鋼或其他低合金鋼壓力容器筒體縱焊縫終端裂紋較多的情況，加大反面定位焊焊縫截面厚度;改進(jìn)普通熄弧板的尺寸和結(jié)構(gòu);控制第一道焊縫的焊接規(guī)范參數(shù)，裂紋將顯著減少。同時(shí)，還應(yīng)加強(qiáng)筒節(jié)制造全過(guò)程的質(zhì)量控制，如提高下料精度，提高筒節(jié)卷圓質(zhì)量，避免強(qiáng)行組裝以減小組裝應(yīng)力，減少第一道焊縫的焊接熱輸入，選用最佳的焊接工藝參數(shù)，完全可以達(dá)到防止終端裂紋的目的。

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作者簡(jiǎn)介：徐慧波（1969-），女，湖南岳陽(yáng)人，湖南省工業(yè)技師學(xué)院， 工程師，高級(jí)講師，主要研究方向：焊接工藝。