換熱器殼體用不銹鋼焊接裂紋預(yù)防措施

夏承隆(山東齊魯石化機(jī)械制造有限公司，山東 淄博 255400)

0 引言

不銹鋼是一種合金材料，主要特點(diǎn)是耐腐蝕、不易生銹，除了日常生活中所看到的利用不銹鋼產(chǎn)生的餐具、家具外，不銹鋼在各個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮了不可替代的作用，例如被用作列車(chē)材料、零件構(gòu)造；應(yīng)用于抗晶界腐蝕性要求高的化學(xué)、煤炭、石油產(chǎn)業(yè)的野外露天機(jī)器，建材耐熱零件及熱處理有困難的零件；用于刀刃、機(jī)械零件、石油精練裝置、螺栓、螺母、泵桿、1 類餐具等的制造等。不銹鋼的發(fā)明始于18 世紀(jì)末，源于鉻的發(fā)現(xiàn)，1912 年被布雷爾利發(fā)明出來(lái)以后，在1916 年取得英國(guó)專利權(quán)，自此不銹鋼便得到了迅猛的發(fā)展，亨利·布雷爾利也被稱為“不銹鋼之父”。不銹鋼的出現(xiàn)給冶金史上添上了濃墨重彩的一筆，隨著不銹鋼的研究和開(kāi)發(fā)，我國(guó)的不銹鋼煉鋼工藝與加工工藝也得到了很好的發(fā)展[1]。

1 產(chǎn)生裂紋的原因

不銹鋼屬于延遲裂紋鋼的一種，這種鋼比普通碳鋼的導(dǎo)熱系數(shù)低，膨脹系數(shù)高，及導(dǎo)熱慢，受熱易膨脹而且膨脹幅度大。基于這種性質(zhì)，不銹鋼板材在焊接的過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題，如出現(xiàn)咬邊、氣孔、未熔合等現(xiàn)象，而下文主要討論在焊接過(guò)程中產(chǎn)生各種裂紋的類型以及產(chǎn)生此種類型裂紋的原因。

1.1 熱裂紋

熱裂紋通常是在焊接過(guò)程中的高溫下產(chǎn)生，故稱其為熱裂紋，最常發(fā)生在奧氏體晶界的焊接過(guò)程中，熱裂紋的主要特點(diǎn)有這些：熱裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展都處在高溫下，裂紋產(chǎn)生在焊接過(guò)程中。熱裂紋絕大多數(shù)產(chǎn)生在金屬中，有縱向的也有橫向的，弧坑裂紋往往是顯星狀的，有時(shí)熱裂紋也會(huì)發(fā)生在母材中[2]。熱裂紋常處在焊縫中心或焊縫兩側(cè)，在裂紋斷面上可以發(fā)現(xiàn)明顯的氧化痕跡。裂紋一般都不是平滑的，而是鋸齒形的。

熱裂紋的種類有：(1)結(jié)晶裂紋：結(jié)晶裂紋也被稱為凝固裂紋，主要發(fā)生在焊縫處的某些相對(duì)強(qiáng)度較高材料上。(2)液化裂紋：多發(fā)生于在多層焊縫的焊層之間，這種裂紋屬于晶間開(kāi)裂性質(zhì)，在焊接產(chǎn)生的裂紋斷口處可以看見(jiàn)明顯的晶間開(kāi)裂特征。(3)多邊化裂紋：也被稱為高溫低塑性裂紋，該裂紋多發(fā)生在重復(fù)受熱金屬中(多層焊)，斷口顯現(xiàn)出高溫低塑性斷裂，以任何方向貫穿樹(shù)枝狀結(jié)晶，常常伴隨著再結(jié)晶。晶粒出現(xiàn)在裂紋附近，多邊化裂紋總是遲于再結(jié)晶，常見(jiàn)于單相奧氏體鋼或純金屬的焊接金屬。利用馬氏體不銹鋼進(jìn)行焊接時(shí)一般產(chǎn)生凝固裂紋和液化裂紋，因?yàn)榇蠖鄶?shù)馬氏體不銹鋼凝固時(shí)形成鐵素體，所以對(duì)凝固裂紋的敏感性低，但有些因素增加其對(duì)凝固裂紋的敏感性。碳含量很高的馬氏體不銹鋼可能凝固成奧氏體，使其對(duì)凝固裂紋更為敏感。在含鈮的w(Cr)=12%的鋼中觀察到裂紋，推測(cè)起因是Nb 的偏析，液化裂紋在馬氏體不銹鋼中很少見(jiàn)。

1.2 焊接接頭的冷裂紋

冷裂紋指的是焊接接頭冷卻到較低溫度下(即奧氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的溫度以下)產(chǎn)生冷裂紋，主要分三種類型：延遲裂紋是在淬硬組織、氫和拘束應(yīng)力的共同作用下，產(chǎn)生的具有延遲特征的裂紋；淬硬脆化裂紋主要是由淬硬傾向大的組織，在焊接應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂紋；低塑性脆化裂紋則指的是在較低溫度下，由于被焊材料的收縮應(yīng)變，超過(guò)了材料本身的塑性儲(chǔ)備而產(chǎn)生的裂紋。

焊接接頭的冷裂紋一般出現(xiàn)在利用馬氏體不銹鋼焊接時(shí)，熱裂紋與冷裂紋產(chǎn)生的時(shí)間和溫度都有所差別，熱裂紋一般產(chǎn)生在焊接的過(guò)程中，冷裂紋卻產(chǎn)生于焊接的冷卻過(guò)程中，有的裂紋是在冷卻過(guò)程中出現(xiàn)，但是有的卻會(huì)等到冷卻結(jié)束幾小時(shí)甚至更長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)出現(xiàn)。

熱裂紋與冷裂紋產(chǎn)生的部位和方向也有較大差別，熱裂紋一般是在焊縫金屬中，有的是縱向，有的是橫向，有時(shí)熱裂紋也會(huì)延伸到基本金屬中去。冷裂紋大多數(shù)產(chǎn)生在母材金屬或熔合線上，大多數(shù)為縱向裂紋，少數(shù)為橫向裂紋。

1.3 再熱裂紋

再熱裂紋指的是焊后，不銹鋼板材在一定溫度范圍內(nèi)再次進(jìn)行加熱(消除應(yīng)力熱處理或其他加熱過(guò)程)而產(chǎn)生的裂紋叫做再熱裂紋。在這些鋼中，合金元素鉬和雜質(zhì)元素硫、磷、砷、錫、硼和銅等一直被認(rèn)為和再熱裂紋有關(guān)。減少鋼中的雜質(zhì)含量，增加焊接熱輸入，減少應(yīng)力集中可以避免再熱裂紋。一般講，對(duì)于很多含Cr、Mo 和V 的低合金高強(qiáng)鋼(HSLA 鋼)，出現(xiàn)再熱裂紋是很普遍的。

產(chǎn)生裂紋還有可能是因?yàn)殇撝袣涞闹麓唷涫呛附右苯疬^(guò)程殘留在鋼中的氣體雜質(zhì)。由于鋼中殘留的氫使鋼的塑性惡化而形成氫脆。也有可能是因?yàn)樵诤附咏宇^在富士環(huán)境下受拉伸應(yīng)力作用時(shí)產(chǎn)生的延遲開(kāi)裂現(xiàn)象；并且根據(jù)理論來(lái)講，焊縫和熱影響區(qū)在加熱到450～850 ℃時(shí)，會(huì)在晶界上析出碳化鉻，造成貧鉻的晶界，不足以抵抗腐蝕的程度然后使得不銹鋼不足以抵擋腐蝕，進(jìn)而出現(xiàn)裂縫。

2 預(yù)防裂紋產(chǎn)生的方法

2.1 正確選擇焊接材料

通過(guò)上一節(jié)中對(duì)各種裂紋的介紹，根據(jù)換熱器殼體的工作特點(diǎn)，合理選擇焊接材料，例如在奧氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上提高鐵素體形成元素Cr、Mo、Si 和Nb 等的含量，降低奧氏形成元素Ni、C、Mn 和N 的含量，就可得到奧氏體和鐵素體占一定比例的雙相組織，這種材料兼顧有鐵素體不銹鋼所具有的較高強(qiáng)度和高耐氯化物應(yīng)力腐蝕性等等性能，并且在耐晶體腐蝕性以及焊接性能上面都有顯著提高。還要根據(jù)看焊接要求選擇材料，含硅的4 系焊絲抗裂性能就好，但強(qiáng)度不佳，并且經(jīng)過(guò)陽(yáng)極化處理后顏色和其他鋁合金有區(qū)別，但如果可以進(jìn)行噴漆就不存在該問(wèn)題。

2.2 針對(duì)不同情況進(jìn)行預(yù)防措施

針對(duì)熱裂紋，采取的主要預(yù)防措施有：保持合適的間隙，收弧時(shí)要把弧坑填滿；嚴(yán)格地控制不銹鋼板材及焊接材料的硫含量、磷含量等有害雜質(zhì)，采用低氫型焊條或者使用含錳高的低氫焊條，適用含碳、硅、硫磷低的焊條，打亂焊縫金屬的結(jié)晶方向，使得低熔點(diǎn)的結(jié)晶物不會(huì)集中在一起，降低熱裂紋的敏感性；減小熔合比，控制焊接時(shí)的溫度，防止過(guò)熱，在進(jìn)行焊接時(shí)要合理選擇焊接的順序以及方向，降低拘束度，從而有效降低裂紋的敏感度等，都是有效防止熱裂紋產(chǎn)生的措施，

針對(duì)冷裂紋，采取的主要措施有：選用低氫型焊接材料，嚴(yán)格按照規(guī)定進(jìn)行焊接；進(jìn)行預(yù)熱或后熱，控制層間溫度，選擇合適的焊接規(guī)范；焊前焊條烘干，選用難吸潮焊條或超低氫焊條。

針對(duì)再熱裂紋，防止措施：在滿足客戶的要求的前提下，選擇低配的焊接材料，合理地選擇預(yù)熱和熱處理溫度，盡可能地避開(kāi)敏感區(qū)，盡量減少焊接殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中。

2.3 清理焊縫

為了防止裂紋延伸，在對(duì)筒體進(jìn)行焊縫清理后，進(jìn)行滲透檢測(cè)，確保坡口無(wú)裂紋。若裂紋已經(jīng)延伸，可以對(duì)其采取超聲波檢測(cè)的方法對(duì)裂紋進(jìn)行檢查，首先確定好裂紋有多深，采取進(jìn)一步的處理措施，防止裂紋的延伸，常用的方法有采用磨光機(jī)打磨處理。

2.4 確保焊接措施

首先要保證焊接人員的工藝，在進(jìn)行焊接作業(yè)前確定焊接人員是受過(guò)專業(yè)訓(xùn)練的，并且進(jìn)行技術(shù)檢查。同時(shí)對(duì)焊接人員進(jìn)行考察，確保其熟悉焊接要求和具體的實(shí)施步驟。其次要有專業(yè)人士全程進(jìn)行監(jiān)督，以防意外發(fā)生，全程嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)章制度進(jìn)行作業(yè)，對(duì)于焊接易出現(xiàn)熱裂紋的鎳基焊材，特別是弧坑處，在進(jìn)行焊接時(shí)，要注意電流不能過(guò)大同時(shí)在焊接時(shí)刻注意弧坑，加強(qiáng)對(duì)其的檢查與打磨工藝。最后，在進(jìn)行焊接時(shí)，要及時(shí)打磨飛濺，確保成品的質(zhì)量，按照步驟逐步施工，切勿急功近利，檢查合格后才能繼續(xù)進(jìn)行作業(yè)。

2.5 熱處理

在利用不銹鋼板材進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)，一般都采取預(yù)熱后進(jìn)行焊接，焊接過(guò)程中應(yīng)注意周?chē)h(huán)境，并及時(shí)做出調(diào)整。如果需要無(wú)損檢測(cè)的話一般要等焊接后24 h 進(jìn)行檢測(cè)。

2.6 控制冷卻速度

嚴(yán)格控制冷卻速度能有效降低焊縫產(chǎn)生裂紋的可能性。由于在站內(nèi)補(bǔ)焊時(shí)管線內(nèi)還有水，冷卻的速度較快，在熱影響區(qū)產(chǎn)生很大的焊接應(yīng)力，造成了焊接接頭產(chǎn)生裂紋。在進(jìn)行焊接時(shí)，要先把管線內(nèi)的水排掉，再對(duì)鋼管一側(cè)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱之后再進(jìn)行焊接再進(jìn)行焊接。在進(jìn)行焊接時(shí)盡量小規(guī)模進(jìn)行作業(yè)，焊接后可以使用毛氈等物品覆蓋在焊縫上面，減緩冷卻速度，有效消除焊接應(yīng)力的產(chǎn)生。綜上所述，首先保證將要焊接的鋁合金及焊縫位置允許焊接，且要處于可焊接的時(shí)效狀態(tài)。其次保證焊前去氧化層，除氫措施沒(méi)問(wèn)題，特別是容易遺漏的送絲回路的清理別忘了。再次，對(duì)于板厚較厚或者冷裂紋傾向較為嚴(yán)重的材料，采取預(yù)熱緩冷的方法。然后，在符合焊接工藝要求的前提下，可以考慮采用抗裂性能更好的鋁硅焊絲。最后，焊接時(shí)采用合適的焊接參數(shù)，填滿弧坑，避免出現(xiàn)熱裂紋等現(xiàn)象。

3 結(jié)語(yǔ)

不銹鋼制品體現(xiàn)了科技的進(jìn)步，社會(huì)的進(jìn)步。但是在利用不銹鋼進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)，因?yàn)樗x材料、所用工藝的問(wèn)題，可能產(chǎn)生各種各樣的問(wèn)題，裂紋就是其中的一種，不銹鋼制品產(chǎn)生裂紋影響了產(chǎn)品的使用，可能產(chǎn)生安全隱患，因此需要格外注意，加強(qiáng)預(yù)防和檢測(cè)措施。本文對(duì)換熱器殼體用不銹鋼進(jìn)行焊接時(shí)產(chǎn)生的裂紋種類以及可能導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋的原因進(jìn)行分析，提出預(yù)防措施，希望對(duì)今后的工作有所裨益。