16MnR鋼埋弧焊終端裂紋的成因及防止措施

摘 要：針對16MnR鋼制壓力容器筒體縱焊縫自動埋弧焊時焊縫終端易形成裂紋的問題，分析其產生原因，并采用改進熄弧板等措施，最終取得了防止裂紋的滿意效果。

關鍵詞：16MnR鋼 埋弧焊 裂紋 熄弧板

中圖分類號：TG40文獻標識碼：A文章編號：1003-9082（2019）10-0228-02

前言

16MnR鋼是一種具有較高強度和韌性以及良好焊接性的低合金鋼，目前被廣泛應用于壓力容器、船體、鍋爐等焊接結構的制造。其中壓力容器筒體的主對接焊縫主要采用自動埋弧焊這種效率高、勞動條件相對較好的焊接方法。但在對中板（δ≥20mm）16MnR鋼制壓力容器的焊接過程中發(fā)現其筒體縱焊縫終端經常出現較短的裂紋，對此一直沒能有一個較好的解決辦法，只能通過返修來解決，甚至因幾次返修不合格而只能報廢，延長了產品的生產周期，增加了產品的制造成本。所以，分析此裂紋的形成原因并尋求出相應措施具有十分現實的意義。

一、裂紋特點

1.裂紋所處位置及形狀

裂紋位于筒體縱縫的末端，在進行焊縫返修時發(fā)現，該裂紋位于第一道焊縫的根部，有時也擴展到焊縫的表面。從X射線底片上觀察，一般出現在靠近熄弧板的焊縫終端0～150mm范圍內，較細、呈淺黑色且長度較短，位置如圖1所示。

2.裂紋的影響因素

隨著母材板厚增加，焊縫終端產生裂紋的幾率增大;在其它焊接規(guī)范參數一定的情況下，焊接電流越大，焊接速度越小，產生裂紋的幾率也越大。且在焊接其它低合金鋼（δ≥20mm）時，也發(fā)現有類似現象。

二、終端裂紋產生原因分析

1.鋼材的焊接性分析

16MnR鋼是我國壓力容器行業(yè)使用最廣泛的一種低合金高強度鋼，其焊接工藝成熟。根據國際焊接學會（IIW）推薦的碳當量公式計算：

CE（IIW）= C + Mn/6 + （Cr + Mo + V）/5 + （Ni + Cu）/15

其碳當量值小于0.5%，可見裂紋敏感性小，焊接性好，并且我們對多種厚度規(guī)格的16MnR鋼板的埋弧焊工藝作過焊接工藝評定，試板從未出現過裂紋，且拉伸、彎曲等力學性能試驗均符合GB150-1989《鋼制壓力容器》的技術標準，證明其焊接工藝合理。

在產品制造中采用的原材料16MnR鋼板及埋弧焊用焊絲H10Mn2和焊劑HJ431的化學成分均符合相應標準的要求，見表1。

綜上所述，母材的焊接性、工藝規(guī)范及焊接材料均不是導致裂紋產生的原因。

2.殘余應力的影響

壓力容器筒體卷圓時，在金屬內部存在冷作殘余應力，在焊接過程中，母材進行再結晶時，在焊接接頭區(qū)域內產生新的焊接應力。另外，筒節(jié)卷圓時受下料尺寸精度、卷板機精度和操作者技能的影響，縱縫接頭在組裝定位焊時，存在著強行組裝現象，導致在定位焊焊道內留下較大的拉伸和剪切應力，如圖2所示。

3.焊接變形的影響

由于焊接接頭區(qū)域加熱和冷卻的不均勻性，使各部分金屬發(fā)生的相變過程不一樣，當溫度恢復到原始的均勻狀態(tài)后，焊縫必然產生焊接殘余應力和變形。同時在焊接時，在長度和厚度方向出現錯邊變形，這種變形所產生的焊接殘余應力疊加到一起，使定位焊焊道內應力更加復雜。而且筒體越長，熔池越接近終端時，各種變形量越大，應力和應變的累計使終端的定位焊焊道應力值迅速增加。

4.熄弧板的作用和影響

在鍋爐壓力容器的制造過程中，對于筒體的焊接，尤其是縱焊縫的焊接，都要有引弧板和熄弧板。其中，熄弧板有兩方面的作用：一是焊縫焊完后將整個熔池引到熄弧板上再結束焊接，可防止收弧處熔池金屬流失或留下弧坑，保證焊縫末端質量;二是對焊縫末端起固定作用。當焊接熔池進行到焊縫終端，把最后一個定位焊道熔化時，定位焊道被加熱到無強度狀態(tài)，失去了對筒體縱焊縫的固定作用，此時熄弧板就替代了定位焊，并且應有足夠的拘束力固定筒體，以阻止筒體縱縫終端變形。如圖3所示。

當焊接電弧到達終端時，最終定位焊焊道被加熱到塑性或熔化時，原來所受拘束被釋放。焊縫在縱向A-A、橫向B-B、B?-B?方向產生熱膨脹變形，同時原來存在的剪切應力τz和橫向的焊接殘余拉應力σy引起厚度方向錯邊和橫向變形。由于自動埋弧焊焊接熱輸入大，焊接溫度場熔池的構造很復雜，焊接熱變形大，有時終端定位焊道已完全熔化，已經結晶的焊縫對前方熔池周圍的拘束力較薄弱，熄弧板接受的熱量較多，常常由于自身溫度過高而失去剛度，從而也失去了對焊縫終端的拘束作用。實際上形成了終端無拘束狀態(tài)，此處集中的應力進而將未完全結晶的焊縫金屬或溫度未達到足夠高的焊縫金屬拉裂而形成較細、較短的裂紋，有時是數條裂紋。這就是筒體縱縫埋弧自動焊產生終端裂紋的最主要原因。

三、預防終端裂紋的措施

從以上分析可以看出，終端裂紋產生的主要原因是：定位焊焊道被熔化;熄弧板又因受熱溫度過高失去剛度，從而形成焊縫終端無拘束狀態(tài)。因此，防止終端裂紋產生主要是應加強焊縫終端的拘束固定作用，以減小應力對焊縫金屬的拉裂作用。在生產中可采用以下兩條措施：

1.終端定位焊焊道放在焊縫后焊面，且其焊縫截面應較厚，一般應占板材厚度的1/3，且宜靠近向筒體焊縫的未端。這樣加強了定位焊焊道對焊縫末端的拘束作用。

2.改進熄弧板，在普通熄弧板的兩側開兩條對稱的小槽，即彈性熄弧板，具體結構如圖4所示。圖中的a 、b、L、B的尺寸分別為150mm、150mm、220mm、250mm，板材厚度為δ（筒體厚度）+4mm。該熄弧板的優(yōu)點是把熄弧功能和固定功能有機地分開。熄弧板兩側的縫隙較有效地將熱隔離開，以保證起固定作用的部分有足夠的溫度繼續(xù)對焊縫終端固定，使工件未端在縱向、橫向引起的變形量都降低。

四、實驗及結果分析

1.焊接模擬實驗

一共對四種板厚分別為20 mm、22 mm、28 mm、30 mm的16MnR鋼焊接試板進行模擬實際焊縫試驗。焊接設備為MZ-1000型自動埋弧焊機，焊接材料為H10Mn2焊絲配合HJ431焊劑，焊前對焊劑進行250℃×2h的烘烤。其中，厚度為20 mm、22 mm的板開“Y”型坡口，厚度為28 mm、30mm的板開“X”型坡口，采用雙面焊，實驗參數見表2。

2.實驗結果分析

對統(tǒng)計結果分析表明：

（1）隨著板厚的增加，結構剛性增大，筒體末端裂紋出現的幾率也增大。

（2） 采取如前所述的改進措施，增強對筒體縱縫末端的剛性固定作用，同時采用合理的焊接工藝參數，控制第一道焊縫的焊接參數，可以防止終端裂紋的出現。

結論

針對δ≥20mm的16MnR鋼或其他低合金鋼壓力容器筒體縱焊縫終端裂紋較多的情況，加大反面定位焊焊縫截面厚度;改進普通熄弧板的尺寸和結構;控制第一道焊縫的焊接規(guī)范參數，裂紋將顯著減少。同時，還應加強筒節(jié)制造全過程的質量控制，如提高下料精度，提高筒節(jié)卷圓質量，避免強行組裝以減小組裝應力，減少第一道焊縫的焊接熱輸入，選用最佳的焊接工藝參數，完全可以達到防止終端裂紋的目的。

參考文獻

[1]GB150-1998.鋼制壓力容器[S].北京：機械工業(yè)出版社.

[2]中國機械工程學會焊接學會編[S].焊接手冊.北京：中國機械工業(yè)出版社.1992.11.

[3]雷世明.焊接方法與設備[M].北京：機械工業(yè)出版社.2005.5.

[4]張文鉞.焊接冶金與金屬焊接性[M].北京：中國機械工業(yè)出版社.1987.7.303-317.

作者簡介：徐慧波（1969-），女，湖南岳陽人，湖南省工業(yè)技師學院， 工程師，高級講師，主要研究方向：焊接工藝。