冷旋壓不銹鋼封頭拼接焊縫開裂的原因及防止措施

謝曉芳 張騰 謝 安

（菏澤鍋爐廠有限公司）（山東建筑大學(xué)熱能與動力工程學(xué)院）（廣西大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院）

冷旋壓不銹鋼封頭拼接焊縫開裂的原因及防止措施

謝曉芳*張騰 謝 安

（菏澤鍋爐廠有限公司）（山東建筑大學(xué)熱能與動力工程學(xué)院）（廣西大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院）

大型不銹鋼封頭需要先鋼板拼接，然后經(jīng)冷旋壓成形。對冷旋壓成形后在焊縫上出現(xiàn)大量裂紋的原因進(jìn)行分析，并制定了相應(yīng)的防止措施。

冷旋壓 不銹鋼 封頭 拼接焊縫 焊縫開裂 壓力容器 焊接工藝

0 前言

不銹鋼具有較高的強度及耐腐蝕性，廣泛應(yīng)用于石油、化工等行業(yè)。隨著不銹鋼應(yīng)用范圍的擴大，隨之而來的加工方面的問題也逐漸增加。對此應(yīng)根據(jù)其產(chǎn)生的原因，尋求好的解決方案。

1 工藝概述

菏澤鍋爐廠有限公司承接了一批不銹鋼容器制造的合同。該容器殼體材料為S31603，壁厚為14 mm，直徑為3 000 mm。由于直徑較大，封頭需要拼接。經(jīng)過焊接工藝分析，決定選用埋弧焊工藝，以提高生產(chǎn)效率。按照NB/T 47014—2010進(jìn)行焊接工藝評定，焊接工藝參數(shù)如表1所示，坡口形式如圖1所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

圖1 坡口形式

焊縫須經(jīng)X射線檢測，Ⅰ級合格，并做力學(xué)試驗。焊縫試樣的力學(xué)試驗結(jié)果如表2和表3所示。

表2 拉力試驗

表3 彎曲試驗

橫向側(cè)彎試樣如圖2所示，根據(jù)NB/T 47014—2010試驗結(jié)果合格。按GB/T 4334—2008方法E進(jìn)行晶間腐蝕試驗，結(jié)果合格，試樣如圖3所示。依據(jù)本焊評編制相應(yīng)的焊接工藝卡施焊。

圖2 彎曲試樣

圖3 晶間腐蝕試樣

封頭拼接焊縫焊完后，須對拼接焊縫進(jìn)行100%RT無損檢測，達(dá)到圖樣要求后外協(xié)加工。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，有耐晶間腐蝕要求的容器，經(jīng)400℃以上熱成形后，需做固溶處理。為簡化工藝，采用了封頭成形中常用的冷旋壓工藝。經(jīng)外協(xié)加工成的橢圓形封頭，在拼接焊縫處出現(xiàn)了大量裂紋，如圖4所示。

圖4 拼接處的裂紋

2 實驗與分析

對有裂紋的封頭仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋大都產(chǎn)生在變形較大的圓弧及直邊處，且都集中在焊縫中間，都是沿焊縫方向的縱向裂紋。根據(jù)裂紋的這些特征進(jìn)行分析，認(rèn)為產(chǎn)生裂紋的原因主要有以下三個方面： （1）母材不合格； （2）焊接工藝或焊接材料選用不合理； （3）冷旋壓工藝不合理。

分別對母材和焊縫進(jìn)行光譜分析，化學(xué)成分分別如表4、表5所示，測試位置如圖5、圖6所示。

圖5 母材光譜測試點

圖6 焊縫光譜測試點

表4 母材化學(xué)成分 (%)

表5 熔敷金屬化學(xué)成分 (%)

由表4、表5可見，母材和熔敷金屬化學(xué)成分除C含量稍高外，其他元素均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

常溫加工時，奧氏體的穩(wěn)定性可用Ni最低當(dāng)量含量Ni%與鋼材Ni含量值的比較來確定。Ni的最低當(dāng)量含量 Ni%={[Cr＋1.5Mo-20]2/12-Mn/2-35C＋15-Cu-27N}/100×100%。經(jīng)計算，該母材Ni的最低當(dāng)量含量Ni%=10.89%，Δ=Ni的實際鋼材分析值-Ni%，Δ=11.73%-10.89%=0.84%＞0，奧氏體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

冷旋壓成形是利用兩模具的擠壓作用對材料進(jìn)行加工的，毛坯在旋壓輪和成形棍之間產(chǎn)生局部的塑性變形。封頭冷旋壓過程中，力的反復(fù)作用使其發(fā)生冷作硬化現(xiàn)象，并產(chǎn)生位錯的堆積和金相組織的變化。由于該母材的C含量偏高，在變形量大于15%時，可產(chǎn)生馬氏體組織。同時，由于焊縫中間是單道焊，易出現(xiàn)柱狀樹枝晶使成分出現(xiàn)偏析，如圖7、圖8、圖9所示。因此在較大的塑性變形情況下，封頭拼接焊縫產(chǎn)生了焊縫中間裂紋。

圖7 焊縫金相圖 （×200）

3 控制措施

根據(jù)上述裂紋產(chǎn)生的原因，采取了以下防止措施:

（1）對母材的成分嚴(yán)格控制；

（2）采用多層焊，防止柱狀結(jié)晶組織產(chǎn)生，減少偏析，以提高焊縫的綜合力學(xué)性能；

（3）控制冷旋壓變形量在15%以下，減少馬氏體組織的產(chǎn)生；

（4） 嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程 （WPS）。

圖8 焊縫金相圖 （×400）

圖9 熔合區(qū)金相圖 （×200）

4 結(jié)束語

經(jīng)分析研究，與封頭加工廠一起制定了合理的焊接及旋壓工藝，解決了封頭冷旋壓的裂紋問題。

[1]GB 150.1～150.4—2011.壓力容器 [S].

[2]NB/T 47014—2011.承壓設(shè)備焊接工藝評定 [S].

[3]YB/T 5092—2005.焊接用不銹鋼絲 [S].

[4]GB 24511—2009.承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板及鋼帶 [S].

[5]GB/T 4334—2008.金屬和合金的腐蝕：不銹鋼晶間腐蝕試驗方法[S].

Cracking Reasons and Protecting Measures for Butt Welding of Cold Spinning Stainless Steel Head

Xie Xiaofang Zhang Teng Xie An

The steel plates should be butted,and then shaped by cold spinning to form large stainless steel heads.Analyzes reasons of a large number of cracks in welds after cold spinning forming,and puts forward corresponding prevention measures.

Cold spinning;Stainless steel;Head;Butt welding;Welding crack;Pressure vessels;Welding procedure

TQ 050.6

2012-04-27）