淺析焊接裂紋與返修技術(shù)的探討

車振龍 孫玉東 李海波

摘 要：鋼結(jié)構(gòu)件的焊接失效，往往是在設(shè)備使用過程中出現(xiàn)，一臺(tái)設(shè)備中任意一個(gè)結(jié)構(gòu)部件發(fā)生焊接失效開裂，都會(huì)影響整臺(tái)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，給企業(yè)造成不可估量的損失。本文通過整理近年來樣本，歸納分析了失效原因，裂紋產(chǎn)生機(jī)理、位置分布，通過分析鋼材焊接特性。通過試驗(yàn)確定適當(dāng)焊接工藝確保焊接接頭質(zhì)量，提出焊接工藝要求和施工流程，有效防止了裂紋，為施工現(xiàn)場(chǎng)提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：焊接缺陷；力學(xué)性能；返修補(bǔ)焊

1 導(dǎo)致焊接失效的原因

通常意義上講，焊接失效就是焊接接頭由于各種因素，在一定條件下斷裂（如：應(yīng)力、溫度、材質(zhì)、焊接質(zhì)量和實(shí)際使用工況條件等）。接頭一旦失效，就會(huì)使相互緊密聯(lián)系成一體的構(gòu)件局部分離、撕裂并擴(kuò)展，造成焊接結(jié)構(gòu)損壞，致使設(shè)備停機(jī)，影響正常生產(chǎn)。焊接失效的基本條件：一是焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，如在局部或整體焊縫的布置與設(shè)計(jì)上存在問題；二是材料本身的缺陷，如板材化學(xué)成分偏析，鑄鋼件的組織存在縮松、氣孔、裂紋等；三是焊接工藝的應(yīng)用不合理，如焊接材料的選擇、焊接方法的制定；四是構(gòu)件所處的工作環(huán)境、工況條件差（如受到交變及沖擊載荷），引起結(jié)構(gòu)材料疲勞破壞。

2 焊接裂紋的影響因素

2.1 冶金方面的影響因素。

硫和磷是鋼中最有害的元素。能在鋼中形成多種低熔點(diǎn)共晶，在結(jié)晶過程中極易形成液態(tài)共晶薄膜，使脆性溫度區(qū)間的塑性大為下降。同時(shí)，硫、磷又非常容易偏析。碳在鋼中也是影響熱裂紋，尤其是結(jié)晶裂紋的主要因素。焊縫組織一次結(jié)晶形態(tài)。在一次結(jié)晶的晶粒度越大，結(jié)晶方向性也越強(qiáng)，也就越容易促使雜質(zhì)偏析，越容易在固液階段形成連續(xù)的液態(tài)共晶薄膜，增加結(jié)晶裂紋傾向。

2.2 焊接工藝影響

工藝條件包括焊接方法、焊接熱輸入、預(yù)熱或環(huán)境溫度、焊接順序等。它們對(duì)焊接接頭冷卻時(shí)的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率、焊縫的化學(xué)成分和偏析情況帶來多方面的影響，這些直接影響到焊縫的熱裂紋傾向。焊接前，需要預(yù)熱和后熱，對(duì)焊條進(jìn)行一定溫度的烘烤和恒溫，焊接時(shí)控制好焊接線能量。如果焊工集中向上焊，容易將應(yīng)力集中在罐體上部環(huán)裂縫，采取分段退焊可分散組對(duì)和焊接應(yīng)力。良好的焊接順序和焊接速度控制確保容器拘束應(yīng)力均勻分布，減少應(yīng)力集中和產(chǎn)生裂紋。

3裂紋的分布形式

定期檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，裂紋多數(shù)出現(xiàn)在焊接接頭位置，可以細(xì)分為：縱向焊接接頭、柱腳焊接接頭、極板拼接接頭、環(huán)向焊接接頭和接管焊接接頭等。其中以環(huán)向焊接接頭和柱腿焊接接頭所占比例最高，分別占51.05%和35.27%，縱向焊接接頭占6.84%，極板焊接接頭占2.63%，裂紋的長(zhǎng)度以20mm以內(nèi)的小裂紋為主，占總數(shù)的72.64%，21-50mm的裂紋占16.84%，50mm以上的裂紋比例很小。不同的裂紋根據(jù)埋藏位置、自身高度以及安全程度等不同，決定補(bǔ)焊等返修工作。有的表面或淺表面裂紋可以通過打磨消除，有的則需要按照《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》，進(jìn)行補(bǔ)焊返修，根據(jù)樣本統(tǒng)計(jì)結(jié)果，95處裂紋中有37處需要返修，占總數(shù)的40%，其中環(huán)向焊接接頭的裂紋數(shù)17處，占總數(shù)的18.4%，對(duì)裂紋返修率及裂紋的危險(xiǎn)性的比較發(fā)現(xiàn)，容器裂紋中以柱腿角焊裂紋、內(nèi)表面、環(huán)縫裂紋和接管角焊縫的返修率最高，20mm以內(nèi)裂紋基本不用返修，返修率與裂紋尺寸呈正比關(guān)系。

4 焊接工藝

（1）檢查設(shè)備及輔助工具狀態(tài)良好。焊接前必須清理坡口周圍20mm內(nèi)的油、鐵銹等污物，打磨出金屬光澤為準(zhǔn)。

（2）焊接時(shí)應(yīng)采用分段退焊和多層多道的焊接工藝。球殼板定位焊時(shí)任何情況下焊縫長(zhǎng)度≥50mm，定位焊間隔在400mm。焊接分為立焊、橫焊和平仰焊。為避免焊縫金屬過熱區(qū)的粗晶形成，確保容器鋼材的低溫沖擊韌性，防止裂紋的產(chǎn)生，采取電加熱片均勻加熱，預(yù)熱溫度控制在100～150℃范圍內(nèi)，在坡口兩側(cè)預(yù)熱半徑150mm，焊接層間溫度高于預(yù)熱溫度且最高值≤200℃。

（3）球體焊接順序。每條縱縫配置一名焊工同時(shí)焊接，如焊工人數(shù)不夠，間隔布置分兩次完成。環(huán)縫焊接按焊工人數(shù)均勻分段，注意反面用碳弧氣刨清根，層間焊接接頭必須錯(cuò)開，用砂輪機(jī)磨除滲碳層。

5 焊縫返修工藝要求

（1）焊縫的返修應(yīng)由合格的焊工擔(dān)任。返修工藝措施應(yīng)得到焊接技術(shù)負(fù)責(zé)人的同意。 壓力容器上同一部位的返修次數(shù)不應(yīng)超過2次。對(duì)經(jīng)過2次返修仍不合格的焊縫，如再進(jìn)行返修，應(yīng)經(jīng)制造單位技術(shù)負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)。返修的次數(shù)、部位和無損探傷結(jié)果等，應(yīng)記入壓力容器質(zhì)量證明書中。鍋爐同一位置上的返修不得超過3次。

（2）要求焊后熱處理的鍋爐、壓力容器，應(yīng)在熱處理前返修；如在熱處理后返修，返修后應(yīng)再做熱處理。

（3）有抗晶間腐蝕要求的奧氏體不銹鋼制壓力容器，返修部位仍需保證原有要求。

（4）壓力試驗(yàn)后，一般不應(yīng)進(jìn)行焊縫返修。確需返修的，返修部位必須按原要求經(jīng)無損探傷檢驗(yàn)合格。由于焊縫或接管泄漏而進(jìn)行的返修，或返修深度大于1/2壁厚的壓力容器，還應(yīng)重新作壓力試驗(yàn)。 焊縫多次返修，即使是無損探傷、力學(xué)性能試驗(yàn)和金相檢驗(yàn)都未發(fā)現(xiàn)異常，但仍然對(duì)焊接接頭質(zhì)量有不良的影響。首先，由于焊接次數(shù)的增加，焊縫金屬中溶解的氫氣向過熱區(qū)擴(kuò)散量必然增加，成為產(chǎn)生熱影響區(qū)冷裂紋、延遲裂紋的隱患；其次是過熱區(qū)的晶粒因多次過熱而長(zhǎng)得更大，造成組織不均勻和力學(xué)性能下降。因此焊縫返修前應(yīng)先找出產(chǎn)生缺陷的原因，制訂可行的返修方案 ，才能進(jìn)行返修。

6 結(jié)論

總的來說，焊接裂紋返修時(shí)應(yīng)注意工藝規(guī)范，采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┦强梢垣@得很好的返修效果。

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