復合鋼板冬季施工中裂紋的成因分析及控制

【摘要】針對我國北方冬季的氣候特點，對復合鋼板材料焊接過程中經常出現裂紋這一問題進行了分析，找出裂紋形成的原因，有針對性地提出相關措施來降低復合材料裂紋的敏感性和裂紋出現的機率。

【關鍵詞】復合鋼板；冬季施工；裂紋；敏感性；控制

前言

復合鋼板具有兩種材料的綜合性能，能節(jié)約貴重金屬，降低生產成本，被廣泛應用于石油、化工及壓力容器等行業(yè)。本公司在復合鋼板的使用方面已有近二十年的時間，而且有成熟的工法、工藝。但是，依然有新的問題出現，復合鋼板冬季焊接施工中出現相對較多裂紋便是其中之一。本公司地處西北，氣候干燥，冬季平均氣溫在-5℃左右，最低溫度-25℃，-10℃以下的溫度一般會持續(xù)15天左右，低溫時間較長，裂紋的出現給復合鋼板設備制造帶來很大困擾。在生產過程中，通過分析復合鋼板設備在冬季施工中產生裂紋的原因，采取有效的工藝措施，降低了裂紋出現的機率。

1.裂紋成因分析

對近幾年制造的復合板設備進行抽樣檢查，分析出現缺陷的對接焊縫底片，統(tǒng)計結果見表1。

由表1可知，復合鋼板在冬季施工中出現的圓形缺陷和條形缺陷與其它季節(jié)差別不大，但裂紋的出現機率大為增加。眾所周知，圓形缺陷和條形缺陷出現的機率主要與焊接工藝參數的控制和操作者的實際技能有關，而且工件組對質量對其也會有一定的影響。但裂紋不但與以上因素有關，而且還與氣候、焊材、復合鋼板母材質量、熱處理等多方面因素有關。經檢測，復合鋼板的裂紋主要出現在焊接接頭的熔合線附近，沿基層和復層之間區(qū)域存在【1】，一般向基層延伸，裂紋與鋼板軋制方向同向，長度一般在10-25mm之間不等。復合鋼板其余部位經超聲波檢測未發(fā)現裂紋。

1.1復合鋼板的制造質量的影響

復合鋼板是由基板（碳鋼）和復板（不銹鋼板）經過爆炸復合后制成【2】。經過爆炸復合，鋼板基層與復層呈鋸齒狀嚙合在一起。在鋸齒狀的嚙合部位，由于異種鋼之間達到原子間的結合，導致嚙合部位的合金元素和組織成分發(fā)生變化，形成近似于珠光體組織的金相組織，其機械性能等技術指標相應發(fā)生了根本性的改變。爆炸復合后進行正火熱處理[3]，主要目的是為了基層材料在900℃左右的溫度內進行二次結晶，使碳鋼的力學性能重新得以恢復，同時保證復合層材料跳過中溫敏化區(qū)間，避免產生敏化效果，從而保證基層的力學性能和復合層的耐蝕性能。但是，由于嚙合區(qū)在正火狀態(tài)下導致晶粒較為粗大，同時，不銹鋼中的鉻原子在嚙合區(qū)廣泛分布，造成組織成分比較復雜，極易形成起裂源或淬硬傾向較大，從而形成復合鋼板的薄弱環(huán)節(jié)。

1.2焊接順序的影響

復合鋼板的焊縫焊接順序一般是先對基層進行焊接，然后進行無損檢測，待檢測合格后再進行過渡層和復層的焊接。這種施工順序造成基層焊接完畢后并未使整個焊道填滿，而焊縫熔合線兩側成型也不能完全形成圓滑過渡，所以極易在熔合線兩側造成應力集中。應力過分集中也是導致產生裂紋的必要條件之一。

1.3復合鋼板嚙合區(qū)組織的影響

復合鋼板的嚙合區(qū)經過電弧的再次加熱使得嚙合區(qū)晶粒迅速長大，而且嚙合區(qū)存在異種鋼的組織成分的區(qū)域偏析，使焊接接頭區(qū)的內部拉應力增加，產生冷裂紋的傾向亦增加。

1.4冬季氣候對裂紋產生的影響

復合板設備在冬季施工中，由于環(huán)境氣溫較低，造成冷卻速度加快，焊后若未能及時控制工件溫度，使較大工件在寒冷的氣候條件下散熱過快，特別是800℃以下的冷卻速度。冷卻速度越大，淬硬傾向越大，脆性越大，產生冷裂紋的傾向越大。同時，部分焊道中的冷凝空氣中吸附大量水分，形成焊縫內部的擴散氫含量較多，隨著焊接接頭區(qū)的含氫量增加，從而為焊縫的開裂提供了大量的必要條件。

2.控制措施

由于復合板嚙合區(qū)的形成與復合板加工工藝是共存共生的，所以，對于嚙合區(qū)的組織相變和區(qū)域偏晰等因素，需要復合板生產廠家進一步提高復合鋼板制造質量，而在設備制造廠只有在焊接過程中采取以下措施來抑制其他不利因素，減少誘發(fā)裂紋產生的傾向。

2.1采取合理的焊接順序

基層焊接后，清理干凈焊道，進行過渡層、復層的焊接，填滿焊道后再進行無損檢測。過渡層焊條中的合金元素能有效的控制嚙合區(qū)的合金元素含量，降低嚙合區(qū)的組織相變和區(qū)域偏晰，并能有效消除焊道未填滿而造成的熔合線兩側應力集中的現象。由此可以消除產生裂紋的必要因素。

2.2采取必要的焊前預熱和焊后緩冷措施

冬季施工時，焊前及焊后對工件進行必要的預熱和緩冷，可以有效降低冷卻速度，防止驟冷驟熱造成組織中晶粒的迅速長大。并且還能有效的清除凝結在工件上的水分，從而降低擴散氫在熔池中的含量，減少裂紋發(fā)生的機率。

3.結語

通過分析復合鋼板設備裂紋產生的原因，采取以上措施后，近幾年冬季制造的復合鋼板設備裂紋出現率由以前的14%下降至正常范圍0%～1%，取得了很好的效果。

參考文獻

[1]Folkhard W.Welding Metallurgy of Stainless stell[M].Vien：Springer-Verlag，1998：125-143

[2]鄭遠謀.爆炸焊接和爆炸復合材料的原理及應用[M].長沙：中南大學出版社，2007

[3]陸興.熱處理工程基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社出版，2007