不銹鋼復(fù)合板筒體出現(xiàn)裂紋的原因及防止措施

摘 要：復(fù)合板設(shè)備成型時(shí)有其自身特點(diǎn)，對(duì)焊接工藝和坡口形式有特殊要求。在生產(chǎn)不銹鋼復(fù)合板筒體的過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)裂紋等問題，直接影響到其質(zhì)量。文章就針對(duì)這方面問題進(jìn)行闡述，并提出相應(yīng)的解決措施。

關(guān)鍵詞：不銹鋼復(fù)合板；坡口；過渡層；焊接

1 概況

因?yàn)椴讳P鋼復(fù)合板兼有不銹鋼的耐蝕性和碳鋼的價(jià)格及強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，隨著它的制造技術(shù)日漸成熟，在容器器制造中的應(yīng)用日益廣泛。某容器制造廠，制作了幾臺(tái)主材為16MnR+OCr18Ni9的不銹鋼復(fù)合板，規(guī)格有（25+3）mm，（28+3）mm的壓力容器。在首臺(tái)壓力容器制造中筒節(jié)既沒有留型遒，也沒預(yù)壓的情況下，筒節(jié)縱縫全部焊完后，校圓時(shí)發(fā)現(xiàn)在焊縫中及熱影響區(qū)有裂紋出現(xiàn)，裂紋方向沿著焊縫，有的在復(fù)層，有的在基層，有的甚至從基層裂到復(fù)層。為此技術(shù)人員分析原因，制定處理措施。

2 原因分析

筒節(jié)發(fā)生裂紋后，查看了原材料，基層、復(fù)層及復(fù)合板的化學(xué)成分，機(jī)械性能都符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。由于裂紋出現(xiàn)在筒節(jié)校圓后的焊縫和焊縫的熱影響區(qū)，故從以下方面進(jìn)行分析。

2.1 16MnR和OCrI 8Ni9是兩種不同的材質(zhì)，其化學(xué)成分、物理性能及晶體組織存在很大差異，導(dǎo)致在焊接中容易出現(xiàn)以下問題。

2.1.1 16MnR和OCrl 8Ni9在焊接過程中稀釋作用強(qiáng)烈，使過渡層、復(fù)層焊縫中含碳量增多，增大了結(jié)晶裂紋傾向；焊接熔合區(qū)則可能出現(xiàn)馬氏體組織而導(dǎo)致硬度和脆性增加；同時(shí)由于基層與復(fù)層的含鉻量差別較大，促使碳向復(fù)層遷移擴(kuò)散，在其交界處的焊縫金屬區(qū)域形成增碳層和脫碳層，即在基層側(cè)（16MnR）形成脫碳層，而在復(fù)層側(cè)（OCrI 8Ni9形成增碳層，兩側(cè)性能相差懸殊，這一過渡層的存在往往使塑性性能局部惡化，該過度層導(dǎo)致筒節(jié)在校圓承受壓應(yīng)力時(shí)容易出現(xiàn)裂紋。

2.1.2 由于復(fù)層和基層材料的導(dǎo)熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)相差較大，不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)約為碳鋼的1I3，線膨脹系數(shù)是碳鋼的1.5倍，隨著溫度的升高，膨脹的差值也相應(yīng)地增加。因此復(fù)合板在焊接過程中，多次熱循環(huán)會(huì)使焊接接頭內(nèi)部產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力。同時(shí)由于在焊接過程中，加熱和冷卻的不均勻，使得沿基層厚度的方向上產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，這種殘余應(yīng)力在復(fù)層表面上形成拉伸應(yīng)力，造成了復(fù)合鋼板焊接后復(fù)層表面易產(chǎn)生裂紋，特別是微裂紋較為明顯。而這些微裂紋在筒節(jié)校圓過程中則使裂紋擴(kuò)展，形成更大的裂紋。

2.1.3 焊縫熱影響區(qū)處性能薄弱，筒節(jié)校圓是一種加壓過程，在加壓過程中熱影響區(qū)易產(chǎn)生裂紋。

2.2 坡口形式及焊接工藝不合理

2.2.1 坡口形式及相應(yīng)的焊接工藝不合理。以板材厚度規(guī)格為（28+3）mm為例，原來筒節(jié)的縱焊縫的坡口形式如圖1所示。

圖1

焊接工藝

①手工氮弧焊封底（TGFA-308L）；②手工電焊（A302）；③手工電焊（J507）；④埋弧焊（（H10MnSi+SJ 101）

2.2.2 坡口形式的不合理有以下幾個(gè)方面：（1）因?yàn)椴讳P鋼復(fù)合板的焊接關(guān)鍵是在基層與復(fù)層的交界處（即過渡層），通過前面的分析知道，此處易出現(xiàn)應(yīng)力集中、馬氏體組織和熱裂紋等缺陷，此種坡口形式及焊接工藝雖然減小了清根的工作量，但對(duì)復(fù)層的焊接高度不好控制，加上錯(cuò)邊量的影響，基層與復(fù)層交界處（即過渡層）的位置也不好確定，也就談不上對(duì)各種缺陷的控制。（2）焊接復(fù)層時(shí)合金元素很容易熔入基層母材中，造成對(duì)復(fù)層焊縫的稀釋，易出現(xiàn)馬氏體組織。

2.3 筒節(jié)制作工藝不合理

筒節(jié)在滾圓前應(yīng)增加壓頭工序，但該廠在采購(gòu)板材時(shí)，為了節(jié)約成本，按封頭實(shí)際周長(zhǎng)展開尺寸采購(gòu)板材，沒留帶頭板；也沒有進(jìn)行壓頭，加上板材又比較厚，筒節(jié)直徑比較?。ㄖ?000mm），要想使己經(jīng)焊接完畢的筒節(jié)上焊縫兩邊較短的直邊段變成圓形，就需要在筒節(jié)校圓過程中，施加很大的壓力；筒節(jié)校圓過程中筒節(jié)的受力情況就比較復(fù)雜，既有來自于上輥向下的壓力，也有輥?zhàn)酉騼蓚?cè)的切向力，此時(shí)焊縫內(nèi)側(cè)處于受壓區(qū)，外側(cè)是受拉狀態(tài)，特別是由于筒體焊縫內(nèi)外余高都沒有打磨導(dǎo)致受力不均勻，在焊縫經(jīng)過上輥時(shí)，前進(jìn)后退過程中沖擊力較大，導(dǎo)致基層外側(cè)焊縫熱影響區(qū)處容易產(chǎn)生裂紋。由于直邊段的存在，在筒節(jié)校圓過程中，施加在焊縫兩邊的直邊段的壓應(yīng)力很大，相應(yīng)地在焊縫兩側(cè)外表面產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過焊縫或熱影響區(qū)材料的強(qiáng)度極限時(shí)，裂紋就出現(xiàn)了。

3 采取的措施

3.1 在筒體卷圓前，增加壓頭工序，筒節(jié)焊縫處基本沒有直邊存在，曲率比不壓頭時(shí)的曲率要大，則校圓過程中的塑性變形較小，加載的壓力相對(duì)于不壓頭時(shí)要小得多，此時(shí)焊縫及熱影響區(qū)承受的壓力也較小，也就減小了出現(xiàn)裂紋的可能性。

3.2 在焊完基層后，不焊過渡層和復(fù)層就校圓。因?yàn)楹高^渡層及復(fù)層時(shí)，對(duì)焊縫及熱影響區(qū)處基層的各種性能影響很大，還有可能出現(xiàn)馬氏體組織，在校圓過程中就很容易出現(xiàn)裂紋。

3.3 焊縫的坡口形式及焊接工藝需要修改。復(fù)合板一般較厚，所以焊接方法一般基層采用埋弧自動(dòng)焊，復(fù)層采用手工焊。焊接坡口的選擇原則是基體熔合的焊縫金屬量愈少愈好，即熔合比越小越好，其目的是減少馬氏體組織，避免或減少出現(xiàn)冷裂紋。同時(shí)為了減少合金元素的稀釋，也應(yīng)減小熔合比，采用小電流，快速進(jìn)行焊接。需要指出的是，線能量不能過小，也不能過大。線能量過小，會(huì)增大熔合區(qū)的硬化程度，對(duì)韌性和防止裂紋不利，極易出現(xiàn)再熱裂紋；線能量過大，會(huì)促使馬氏體組織的形成，同時(shí)增大了奧氏體過熱，易使焊縫脆化。所以說，只有選擇適中的線能量，才能既保證熔合比較小，又能防止再熱裂紋及脆化。仍以板厚規(guī)格為（28+3）mm為例，坡口形式如圖2所示。此種坡口形式使基層與復(fù)層嚴(yán)格區(qū)分開，使基層與復(fù)層的交界處遠(yuǎn)離焊接熱量集中區(qū)，避免了基層焊接時(shí)復(fù)層的分層，有利于防止復(fù)層被污染。

圖2

保證過渡層及復(fù)層的焊接質(zhì)量。由于復(fù)層受基層的稀釋作用，過渡層易產(chǎn)生馬氏體組織。為避免出現(xiàn)馬氏體，過渡層的焊接采用小直徑，高鉻、猛鎳焊條，并采用合適的小線能量、短弧焊、快速焊，焊條不允許做橫向擺動(dòng)，以降低對(duì)復(fù)層的稀釋，并控制過渡層和復(fù)合層的層間溫度不超過100℃，保證接頭的耐蝕性能，焊過渡層時(shí)要求打磨內(nèi)側(cè)基層焊縫，使其余高為零，先焊基層與復(fù)層交界處焊縫：最后焊復(fù)層。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過采取以上措施，效果非常明顯，該廠在后面的不銹鋼復(fù)合板設(shè)備制造中采取以上措施后，在筒節(jié)的焊縫及熱影響區(qū)處，沒有出現(xiàn)裂紋，焊接接頭作的晶間腐蝕試驗(yàn)也符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，提高和穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量，并形成了成熟的制造工藝。

4.1 筒節(jié)卷制前，如果沒留帶頭板，應(yīng)進(jìn)行預(yù)壓。

4.2 坡口形式盡量選用剝離復(fù)層的方式，而且一定要將復(fù)層剝離干凈，使基層與復(fù)層的交界處遠(yuǎn)離焊接時(shí)熱量集中區(qū)。

4.3 過渡層焊接時(shí)，先焊基層與復(fù)層的交界處，過渡層及復(fù)層的焊接應(yīng)采用小直徑、快速、短弧焊，避免焊條的橫向擺動(dòng)，并注意控制過渡層及復(fù)層的層間溫度，保證焊縫的耐蝕性能。

參考文獻(xiàn)

[1]李玉虎，等.904L復(fù)合板水合反應(yīng)器的制造[J].壓力容器，2009-9.