試用16 mnR鋼板埋弧焊焊接產(chǎn)生裂紋分析

(廣東石油化工學院，廣東 茂名 525000)

0 引言

在壓力容器生產(chǎn)領域使用較為廣泛的16mnR鋼板埋弧焊技術，在實際應用中很容易出現(xiàn)焊接裂紋等現(xiàn)象。而焊接裂紋作為焊接工藝中的一項重要的缺陷，一旦在焊接中出現(xiàn)，會給后續(xù)的工序帶來較大的隱患，這就要求生產(chǎn)者在生產(chǎn)焊接的過程中，對焊接裂縫問題有足夠的認識，并做好預防以及處理工作。本文將結合自身的研究經(jīng)驗，對16 mnR鋼板埋弧焊產(chǎn)生焊接裂紋這一問題進行充分的論述，希望能為實際生產(chǎn)過程中的焊接質量提升提供一定的幫助。

1 16 mnR鋼板埋弧焊焊接過程出現(xiàn)裂紋的性質特點

16 mnR鋼板埋弧焊出現(xiàn)的裂紋一般存在于焊縫金屬上，出現(xiàn)與焊縫同一方向上的裂縫，在具體的表現(xiàn)上，焊縫波浪線與裂縫呈垂直狀態(tài)，而裂縫出現(xiàn)在焊縫表面后，呈現(xiàn)鋸齒狀，可以通過這些特征來對結晶裂紋進行判斷，在16 mnR鋼板埋弧焊接的過程中，很少出現(xiàn)其他種類的裂紋，所以只要出現(xiàn)這種與焊縫垂直，并在表面呈鋸齒狀的裂紋，基本上都可以判斷為結晶裂紋。在結晶裂紋產(chǎn)生過程中我們對其進行總結，可以發(fā)現(xiàn)結晶裂紋有基礎較為明顯的特征：①結晶裂紋往往出現(xiàn)在對16 mnR鋼板埋弧焊的第一道焊接中。②16 mnR鋼板內(nèi)部與焊劑中存在較多的碳元素以及其他易裂紋的金屬成分后，焊接出現(xiàn)結晶裂紋的幾率隨之增大，這就說明無論是鋼材還是焊劑，只要內(nèi)部存在著不利成分，都會對結晶裂紋產(chǎn)生影響。③厚度較小的鋼板(<20 mm)容易在熄弧板環(huán)節(jié)出現(xiàn)結晶裂紋；厚度較大的鋼板(>20 mm)無論是縱縫還是環(huán)縫，都會出現(xiàn)裂紋，并且呈現(xiàn)出不規(guī)則、無規(guī)律等現(xiàn)象。

2 16 mnR鋼板埋弧焊焊接出現(xiàn)裂縫的原因

2.1 產(chǎn)生結晶裂紋的原因

核心原因是結構內(nèi)一些部位發(fā)生了一定程度的破壞。裂紋作為一種物理現(xiàn)象，在發(fā)生破壞的同時一定會存在力學上的反應。所以我們可以對造成這種局部破壞力量的來源進行分析，研究這種破壞力量的產(chǎn)生。

焊接是一種局部加熱的操作過程，也就是說把部分金屬進行融化，再對液化后的金屬進行對接，而在金屬液化結束后，逐漸地凝固放熱，從而把兩端的金屬進行連接。這一過程伴隨著放熱和冷卻，眾所周知，焊接金屬在凝固的過程中會出現(xiàn)體積減小的問題，并且焊縫內(nèi)的金屬在逐漸冷卻凝固的過程中也會出現(xiàn)收縮狀態(tài)，所以在焊縫處的液化金屬與焊縫之外的金屬產(chǎn)生了應力。焊縫開始結晶與凝固的過程中，拉應力并不會立刻引起裂紋，此刻的金屬晶體逐漸生長，且液態(tài)金屬尚有較好的流動性，可以在焊縫內(nèi)流動，從而填滿拉應力已經(jīng)造成的裂縫和間隙。

隨著溫度的進一步下降，兩側金屬柱狀晶體所產(chǎn)生的拉應力不斷擴大，而焊縫內(nèi)尚存低熔點、凝固晚的共晶體，這種共晶體逐漸被已經(jīng)形成的晶體推動，所以在焊縫即將凝固時，低熔點共晶體還處于液態(tài)，此時焊接處已經(jīng)存在著較大的拉應力，由于液態(tài)不存在強度，所以使晶粒之間不能充分地進行結合。在這種應力的干涉下，逐漸使柱狀晶體之間的空隙變大，由此產(chǎn)生了裂紋。所以從這一過程可以分析得出，如果不存在低熔點共晶體，晶粒之間可以比較牢靠地進行結合，即便應力存在，但由于晶粒之間的結合程度較高，也不會出現(xiàn)裂紋。所以焊接處的低熔點共晶體與拉應力都是產(chǎn)生裂紋的主要原因。拉應力在低熔點共晶體的作用下，從而產(chǎn)生了裂紋，也正是由于這種裂紋出現(xiàn)在焊縫結晶的過程中，所以被稱之為結晶裂紋。

2.2 產(chǎn)生裂紋的影響因素

2.2.1 焊接線產(chǎn)生的能量影響

在埋弧焊的操作過程中，對于焊接的熱輸出遠超其他焊接方法，所以焊接線的能量大小對于焊縫成形起到了至關重要的作用，焊縫的成形對于后期焊縫內(nèi)部晶粒分布與受力情況存在著很大影響，所以焊縫成形直接影響到結晶裂紋是否產(chǎn)生，以及產(chǎn)生的程度如何。此外，焊縫在橫向上的收縮量相交間隙張開量較小，所以也會導致橫向拉伸力大于其他焊接方法。

2.2.2 焊縫的雜質含量以及應力

在焊縫結晶的過程中，低熔點結晶的主要來源就是焊縫中存在的雜質，這種情況主要是因為低熔點共晶物在結晶時會轉移到晶界，從而出現(xiàn)液態(tài)薄膜，在凝固過程中，焊縫金屬由于收縮而產(chǎn)生拉應力，但是液態(tài)薄膜不能承受應力，最終產(chǎn)生裂紋。所以要避免熱裂紋的產(chǎn)生，首先就要對焊縫金屬內(nèi)雜質的含量進行控制，由此可以看出裂縫是焊接應力與金屬雜質的共同作用。

3 16 mnR鋼板埋弧焊焊接產(chǎn)生裂紋的應對措施

3.1 減小焊接部位的應力發(fā)生

1)控制好坡口形式?？梢酝ㄟ^改變焊縫坡口的方式降低應力發(fā)生的程度，所以在焊接中盡量選擇小坡口間隙。坡口間隙過大時，會導致在焊縫由液化凝固時收縮變大，從而應力隨之增大。在鋼板的劃線階段就要對板料的棱角度進行控制，保證在板料的每個環(huán)節(jié)都進行控制，以免出現(xiàn)間隙變大等現(xiàn)象。

2)降低背面點固焊的長度以及點數(shù)，從而降低坡口在橫向上的局部剛度，也可以產(chǎn)生降低焊接部位應力的作用，但在焊接時，一定要注意不能出現(xiàn)燒穿等現(xiàn)象。

3)對焊件進行預熱。通過對焊件的預熱，也可以達到降低結晶裂紋出現(xiàn)的目的。加熱的作用主要在于保持焊接部位的溫度均勻，從而使焊縫兩側的溫差減小。當溫差較小時，會獲得應力減小的效果。一些環(huán)境溫度較低并且板材較厚的情況下，必須進行加熱，減低內(nèi)外的溫差。

3.2 控制好焊縫金屬的化學成分

低熔點共晶體與應力在裂紋問題上有著同樣的重要性，與焊縫內(nèi)部的成分有著緊密的關系，低熔點共晶體的出現(xiàn)與焊縫中的幾種元素直接相關。如硫以及磷是屬于對焊縫有害的成分，可以在焊縫的熔接過程中出現(xiàn)多種低熔點晶體。此外還有一些碳元素的影響，碳元素可以幫助焊縫技術提升淬硬性，所以也會導致焊縫內(nèi)部的應力上升。此外，碳元素也容易在鋼中結合其他元素，形成低熔點共晶體。所以在焊接的過程中，要對焊縫中的金屬成分進行有效的控制，降低有害成分的含量，可以從以下方面來進行。①對金屬的母材進行控制，一般壓力容器需要使用的16 mnR鋼板，要審查好質量證明書，避免使用C/S/P等元素含量較高的鋼板，杜絕這種鋼板應用于自動埋弧焊。②對焊劑的成分進行控制。焊縫對于焊劑的要求較高，生產(chǎn)中常常出現(xiàn)的焊劑S/P等超標等現(xiàn)象，都會造成焊接出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象，所以在使用焊劑之前，要對焊劑的質量進行審核，以免因為S/P等元素的超標產(chǎn)生焊接裂紋，從而影響質量。

4 結語

在生產(chǎn)壓力容器的過程中，16 mnR鋼板埋弧焊的自動焊有很大幾率出現(xiàn)熱裂紋，也就是結晶裂紋。結晶裂紋產(chǎn)生的原因，主要是由于材料中的低熔點共晶體存在并與焊接拉應力發(fā)生相互作用。所以低熔點共晶體與焊接拉應力存在著各自的規(guī)律，互相之間又有著一定程度上的影響。結晶裂紋的出現(xiàn)需要二者的共同參與，為避免這一問題的出現(xiàn)，就需要操作者對低熔點共晶體與焊接拉應力進行干涉，只有這樣才可以有效避免16 mnR鋼板埋弧焊在焊接過程中出現(xiàn)裂紋。