探討復(fù)合鋼板焊接接頭斷裂的原因及改進(jìn)措施

復(fù)合鋼板以其高耐磨性、良好的耐沖擊性、較好的耐熱性和耐腐蝕性、選擇面廣、適應(yīng)性強(qiáng)、方便加工及高性價(jià)比等抗磨材料中的優(yōu)勢(shì)，被廣大廠礦企業(yè)所采用。

但在使用的過(guò)程中曾出現(xiàn)過(guò)焊接接頭斷裂現(xiàn)象不容忽視。需要加以分析和改進(jìn)，以保證使用的安全性和使用壽命。

一、對(duì)復(fù)合鋼板焊接接頭斷裂的原因分析

通過(guò)對(duì)以下發(fā)生的復(fù)合鋼板在焊接中接頭出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象的分析，可找出造成焊接頭斷裂的原因;

某廠500萬(wàn)t/a在常減壓蒸餾裝置中的換熱器殼體材料選用(16MnR+405)復(fù)合鋼板制造。其基層材料為16MnR，復(fù)層不銹鋼為0Cr13A1。在該批換熱器的制造過(guò)程中，先后有4個(gè)筒節(jié)縱向焊接接頭斷裂，其中規(guī)格為φ1200mm×(16+3)mm的2節(jié)。φ800mm×(22+3)mm和φ900mmx(24+3)mm的各1節(jié)。斷裂均在基層焊接完成后校圓時(shí)發(fā)生。

(一)材料化學(xué)成分及力學(xué)性能分析

1、基層與復(fù)層材料的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

2、力學(xué)性能:基層Rm=550MPa，Rel+325MPa，0℃的沖擊功AKA=31J;復(fù)層Rm=450MPa，Rel=250MPa沖擊功AKA=8J。

(二)斷裂原因分析

該批換熱器所用不銹鋼復(fù)合鋼板的基層材料厚度分別為12mm、14mm、16mm、

18mm、20mm、22mm、24mm及30mm共8個(gè)規(guī)格，復(fù)層厚度均為3mm。

不銹鋼復(fù)合鋼板按文獻(xiàn)BⅡ級(jí)要求，采用爆炸復(fù)合，質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ級(jí)。

制造時(shí)筒節(jié)縱向焊接接頭型式及尺寸見(jiàn)圖1。

斷口形貌描述:完全斷開(kāi)的筒節(jié)的最大斷開(kāi)寬度為150mm，斷開(kāi)位置絕大部分位于將復(fù)合層刨削后的坡口根部，只有很少部分?jǐn)嗫谖挥谀覆模梢钥闯?，裂紋已擴(kuò)展至母材深處，這說(shuō)明在校圓過(guò)程中產(chǎn)生了很大的應(yīng)力，且材料的的脆性較大。其斷口形貌，下端為復(fù)層一側(cè)，斷口光亮，呈現(xiàn)典型的穿晶(解理)脆性斷裂特征。

從斷口看，其剪切唇的厚度約為1mm(上端灰色層)。經(jīng)檢驗(yàn)，未斷開(kāi)筒節(jié)的裂紋同樣位于復(fù)合層刨削后的坡口根部，裂紋長(zhǎng)度幾乎與縱向焊接接頭長(zhǎng)度相等，其外露斷口特征與斷口形貌相同。

2、硬度檢驗(yàn)及化學(xué)成分分析經(jīng)檢驗(yàn)

母材最高硬度177HB，最低硬度136HB，材料的硬度值合格，因此，可排除母材含有硬脆相的可能。對(duì)其中1個(gè)斷裂筒節(jié)的基層取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表2。與表1對(duì)照可知，其化學(xué)成分與供應(yīng)值非常接近，S、P含量也非常低。

3、力學(xué)性能及金相檢驗(yàn)

對(duì)斷裂的4個(gè)筒節(jié)各取l塊試板制備試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

由于筒節(jié)斷裂是在基層焊接完成后的校圓階段發(fā)生，當(dāng)時(shí)20臺(tái)換熱器的筒節(jié)全部卷制完成。因此，進(jìn)一步的檢驗(yàn)只能在簡(jiǎn)體兩端的開(kāi)孔位置取樣，筒體上開(kāi)孔的最大直徑為φ250mm，故無(wú)法進(jìn)行完整的力學(xué)性能試驗(yàn)。取樣前重新調(diào)整排版圖，以便對(duì)不同的材料檢號(hào)取樣。

按不同材料檢號(hào)及規(guī)格，共進(jìn)行了18組試樣的沖擊試驗(yàn)。結(jié)果表明，與斷裂的2個(gè)筒節(jié)具有相同材料檢號(hào)的另外4個(gè)筒節(jié)的沖擊功全不合格，單值最高為42J，最低為17J。18組試驗(yàn)中有10組合格，8組不合格，其中數(shù)量最大的(16+3)mm和(12+3)mm兩批鋼板試樣的沖擊功有合格的也有不合格的。此外，對(duì)厚度為(16+3)mm和(24+3)mm復(fù)合鋼板在不同部位取樣做沖擊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，同一張鋼板板頭位置試樣的橫向平均沖擊功幾乎是板中間部位試樣的3倍。對(duì)同一部位的縱、橫向沖擊韌性進(jìn)行比較試驗(yàn)，結(jié)果表明，縱向平均沖擊功大約比橫向平均沖擊功高1倍。

Rn的金相組織除帶狀組織明顯外，未見(jiàn)其它異常。晶粒度為8級(jí)。沖擊試樣的金相組織觀察表明，其珠光體呈網(wǎng)狀分布，這說(shuō)明母體組織不均勻，表現(xiàn)為沖擊功相差較大(表3)。在掃描電鏡下觀測(cè)到的斷口形貌見(jiàn)圖4和圖5。

從斷口的低倍形貌可以看出，裂紋起源于圖4中的右側(cè)表面，即復(fù)層刨削后的坡口根部位置。從圖”

中也可看到這一點(diǎn)，且裂紋起始階段有明顯的撕裂現(xiàn)象，其微觀形貌為韌窩特征。其它區(qū)域主要為裂紋的快速擴(kuò)展區(qū)，其微觀形貌為解理特征，宏觀上表現(xiàn)為如圖3中的光亮區(qū)域。

能譜分析結(jié)果也表明，裂紋起源于復(fù)層，擴(kuò)展過(guò)程中又從復(fù)層穿入基層，最終導(dǎo)致斷裂。

4、制造工藝

對(duì)制造過(guò)程的調(diào)查分析認(rèn)為:①筒節(jié)校圓時(shí)復(fù)層尚未焊接，制造工藝要求復(fù)層施焊前應(yīng)將基層坡口兩側(cè)大于等于10mm范圍內(nèi)的復(fù)層完壘剔除，但在實(shí)際加工過(guò)程中，由于各方面的原因，剔除深度總是很難達(dá)到要求，一般小于3mm，最小的不足2mm。剔除寬度也往往達(dá)不到要求，一般為4-7mm，該寬度正好處于埋弧焊的焊接熱影響區(qū)，這一區(qū)域組織粗大，性能較差。此外，由于復(fù)層剔除深度和寬度不夠，導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)尺寸變化大，使坡口根部存在應(yīng)力集中，電鏡觀察結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。②施焊時(shí)的環(huán)境溫度控制不嚴(yán)，可能使材料產(chǎn)生脆性。

綜上所述，復(fù)合鋼板斷裂的主要原因是:①材料不合格。分析認(rèn)為，沖擊功不合格與鋼板爆炸復(fù)合后的熱處理工藝以及執(zhí)行熱處理工藝過(guò)程中出現(xiàn)的某些偏差有關(guān)，如恒溫溫度或冷卻速度不均勻等，表現(xiàn)為其金相組織不均勻，有的區(qū)域珠光體呈正常的塊狀分布，而有的區(qū)域珠光體則呈網(wǎng)狀分布。相對(duì)于鐵素體，珠光體相的塑性韌性較低，若其連成網(wǎng)狀，則會(huì)降低母材組織的沖擊韌性。②校圓時(shí)復(fù)層未焊，復(fù)屢剔除深度和寬度不夠，坡口根部存在應(yīng)力集中。③施焊時(shí)的環(huán)境溫度較低，增加了材料的脆斷敏感性。

二、對(duì)復(fù)合鋼板焊接接頭斷裂的改進(jìn)措施

通常情況下，不合格的材料將被判報(bào)廢。由于該批材料不合格的主要原因是爆炸復(fù)合后的熱處理工藝及其熱處理過(guò)程不當(dāng)，其力學(xué)性能中僅O℃沖擊功不合格，金相組織觀察也未發(fā)現(xiàn)過(guò)燒等組織缺陷，因此，采用重新進(jìn)行熟處理的辦法恢復(fù)其組織與睦能。

正火是將材料重新加熱到完全奧氏體化后空冷的熱處理工藝，熱處理后可獲得新的先共析鐵素體和珠光體組織，能切斷材料原有組知的遺傳性，消除原材料中的粗大組織。為此，進(jìn)行了正火熱處理試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用正火熱處理極大地改善了材料的沖擊韌性，其各項(xiàng)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

為使正火熱處理不降低405復(fù)層的耐腐蝕性能，在恒溫后的冷卻過(guò)程中，可使其快速通過(guò)敏化溫度區(qū)間。由于復(fù)層材料405中碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高為0.037%，因此，在整個(gè)正火過(guò)程中，復(fù)層不發(fā)生相變，其組織性能也不會(huì)發(fā)生太大的變化。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)所有進(jìn)行沖擊試驗(yàn)不合格的筒節(jié)以及無(wú)法進(jìn)行檢驗(yàn)的筒節(jié)均進(jìn)行了正火熱處理，正火熱處理的工藝參數(shù)曲線(參見(jiàn)圖表1)。

考慮到在正火熱處理試驗(yàn)后，材料的抗拉強(qiáng)度已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的最低抗拉強(qiáng)度。因此，在制定熱處理工藝時(shí)。將恒溫階段的溫度降低了15℃，以確保材料的強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

對(duì)換熱器筒節(jié)的正火處理共進(jìn)行了4爐，每爐帶2塊母材試板，試板從斷裂的筒節(jié)上切取。根據(jù)由隨爐試板制備的試樣所做的沖擊試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)正火處理后筒節(jié)材料的沖擊功提高了2-5倍，取得了良好的效果。

按以上措施處理后的筒節(jié)，在校圓過(guò)程中未發(fā)生斷裂或開(kāi)裂現(xiàn)象。換熱器已如期在現(xiàn)場(chǎng)安裝并投產(chǎn)，運(yùn)行半年來(lái)，設(shè)備經(jīng)受住了耐壓試驗(yàn)的檢驗(yàn)和開(kāi)工初期壓力波動(dòng)的沖擊。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建議將(16MnR+405)復(fù)合鋼板的交貨狀態(tài)改為正火狀態(tài)。在復(fù)合鋼板爆炸焊接中，嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求執(zhí)行。用復(fù)合鋼板制造各種設(shè)備時(shí)，刨削復(fù)合層要徹底?？刂坪附迎h(huán)境溫在5℃以上，以避免材料產(chǎn)生低溫脆斷。