压力容器中厚板筒体焊接结晶裂纹与工艺改进分析.docx

压力容器中厚板筒体焊接结晶裂纹与工艺改进分析.docx

《压力容器中厚板筒体焊接结晶裂纹与工艺改进分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《压力容器中厚板筒体焊接结晶裂纹与工艺改进分析.docx（13页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

压力容器中厚板筒体焊接结晶裂纹与工艺改进分析

压力容器中厚板筒体焊接结晶裂纹分析与工艺改进

摘要

分析了压力容器中厚板筒体在焊接中出现的结晶裂纹，并具体分析了筒体纵环缝产生结晶裂纹的原因。

针对上述问题，提出了以焊条电弧焊打底，结合埋弧焊的焊接方法，并从坡口的选择、焊材的选择、焊接操作等方面出发，制定了可行的焊接工艺，保证了压力容器中厚板筒体焊接接头的质量。

关键词：

中厚板；结晶裂纹；筒体纵缝；筒体环缝；焊接工艺

Abstract

Analyzethecrystalcracksappearedinthethickerplateofpressurevessel,andanalyzespecificallythereasonofthecrystalcracksthatappearedinthelongitudinalandcircumferentialjointsincylindricalshell.Accordingwiththeabovequestions,toproposetheweldingofthefirstlayeruseSMAW,thenuseSAW,andfromthechoiceofgroove,weldingmaterialselection,weldingofoperationetc.Makeafeasibleweldingprocess.Ensurethequalityofweldingjointsinthethickerplateofpressurevessel.

Keywords:

thickerplate;crystalcracks;longitudinaljoints;circumferentialjoints;weldingprocess

目录

0前言5

1结晶裂纹5

2结晶裂纹形成机理5

3结晶裂纹形成的影响因素6

3.1合金元素对结晶裂纹的影响6

3.2工艺因素对结晶裂纹的影响6

3.3应力因素对结晶裂纹的影响7

4筒体纵缝形成结晶裂纹的原因分析7

5筒体环缝形成结晶裂纹的原因分析7

6防止结晶裂纹产生的措施8

6.1控制焊缝中有害杂质的含量8

6.2控制焊缝的截面形状8

6.3改变焊接接头的坡口形式8

6.4改变根部焊道的焊接方法9

6.5降低焊接拉应力9

7焊接工艺改进及试验9

7.1焊接方法9

7.2坡口形式9

7.3焊接材料10

7.4焊接工艺评定10

8产品焊接11

8.1焊前准备11

8.2焊前预热12

8.3纵环缝焊接12

8.4焊接过程中注意事项13

8.5焊后热处理13

8.6焊接检验及结果13

结论14

参考文献15

致谢16

压力容器中厚板筒体焊接结晶裂纹分析与工艺改进

0前言

我厂制作的蓄热器，主体材料为Q345R，厚度从30mm~50mm不等，属于中厚板焊接，采用埋弧焊能提高劳动生产率，降低劳动强度和生产成本。

但我公司采用双面埋弧焊焊接时，在筒体纵缝的端部和环缝的焊缝根部发现了沿焊缝结晶面中心线形成的纵向裂纹，属于典型的结晶裂纹。

采用焊条电弧焊返修后，经无损检测没有发现裂纹，但返修影响了生产工期，提高了焊工的劳动强度和生产成本，因此，研究Q345R中厚板焊接中出现的结晶裂纹及防止措施，改进焊接工艺，具有重要意义。

1结晶裂纹

结晶裂纹是焊缝结晶过程中，在固相线附近，由于凝固金属的收缩，残余液态金属不足而不能及时填充，在应力作用下发生沿晶开裂。

结晶裂纹最常见的是沿焊缝中心的纵向裂纹。

结晶裂纹主要产生在含杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝中和单相奥氏体钢、镍基合金以及某些铝合金的焊缝中，有时也会在热影响区产生。

2结晶裂纹形成机理

焊缝金属的结晶裂纹与初生结晶过程密切相关，当焊接电弧建立后，焊接材料和母材同时熔化而形成焊接熔池，并在电弧热的作用下被加热到相当高的温度，熔池金属受热膨胀，作为熔池底部的母材不能自由伸缩，故高温液态熔池受到一定压应力的作用。

随着焊接热源向前移动，焊接熔池开始逐渐冷却，并以半熔化状态的母材为晶核开始初次结晶。

按金属学原理，最先结晶的是纯度较高的合金，最后凝固的是低熔点共晶体，其数量取决于焊缝金属中C、S、P和其他可能形成共晶体的合金元素的含量。

当母材或焊接材料中杂质含量较高，焊缝金属中低熔点共晶体的数量较多，初生结晶的偏析程度加大，并在初生晶体之间形成连续的低熔点液膜，焊接熔池随着冷却而受到收缩应力作用时，被液膜分隔的晶体边界就会被拉开而形成裂纹。

不是所有存在低熔共晶体的焊缝金属都会产生结晶裂纹，结晶裂纹的形成还与其他一些因素有关。

首先应考虑到正在结晶的焊缝金属所经受的应变速率与低熔点共晶体凝固速度之间的关系，如果在某种条件下，焊缝金属的应变速率高于低熔点共晶体的凝固速度，则就提高了裂纹形成机率，反之则明显减少裂纹的可能性；其次是焊接熔池金属初生晶体的长大方向与残留低熔共晶体的相对位置，当低熔共晶体被夹在正在长大的柱状晶体之间，或者处于从两面相对增长的晶面之间时，焊缝金属在结晶过程中容易被焊接收缩应力拉开而形成裂纹，当低熔共晶体被长大的晶体推向熔池表面，没有在柱状晶体之间时，不易产生结晶裂纹。

由此可见，焊缝结晶裂纹的形成必须同时具备下列三个条件

（1）在焊接熔池金属中必须存在一定数量的低熔共晶体，这主要取决于母材和焊接材料中的杂质和易形成低熔共晶体的合金成分含量以及熔池的过热程度；

（2）焊接熔池的形状和结晶方式可使低熔共晶体封闭在柱状晶体之间；（3）焊缝金属在结晶过程中经受相当速率的应变，而应变速率的大小由熔池的体积、焊件形状、接头形式和壁厚所决定。

3结晶裂纹形成的影响因素

3.1合金元素对结晶裂纹的影响

（1）硫、磷：

在钢中是增大结晶裂纹倾向的元素。

它使合金的结晶温度区间增大，硫和磷是钢中极易偏析的元素，易在晶界形成多种低熔点共晶。

（2）碳：

在钢中是影响结晶裂纹的主要元素，并能加剧其他元素（如硫、磷等）的有害作用。

（3）锰：

具有脱硫作用，能置换FeS为MnS，同时也能改善硫化物的分布形态，使薄膜状FeS改变为球状分布，从而提高了焊缝金属的抗裂性。

（4）硅：

少量的硅可消除结晶裂纹，因它是形成δ相的元素。

但当硅含量超过0.4%时，容易形成低熔点的硅酸盐夹杂，降低焊缝力学性能，并增加裂纹倾向。

3.2工艺因素对结晶裂纹的影响

（1）焊接线能量：

焊接热影响区粗晶区的晶粒大小与线能量有着密切关系，晶内的偏析程度也与线能量存在一定关系，一般来讲，晶内的偏析程度与线能量成正比，即线能量越大，偏析程度越严重，在晶界处，易产生低熔点共晶体。

另外，随着线能量的增加，会使热影响区粗晶区的晶粒过于粗大，降低了材料的晶界强度和塑性，从而增大了材料对热裂纹的敏感性。

（2）工件的坡口形式：

采用埋弧焊进行多层焊时，坡口加工角度过小或清根造成打底层焊道的坡口角度过小，导致熔合比增大，使焊道熔池金属高度稀释形成熔池金属C、S、P含量增加，而Mn含量减少。

另外，根部焊道的焊缝形状系数也将减小，当焊缝形状系数小于1时，加剧了熔池金属结晶过程中晶粒朝熔池中心的生长，使得焊缝中心线的杂质浓度增大，凝固后在焊缝中心线附近出现偏析，从而产生结晶裂纹。

3.3应力因素对结晶裂纹的影响

对于中厚板来说，由于三向应力的存在，钢板厚度越大，则刚度越大，焊后产生变形引起的焊接应力也越大。

压力容器筒体卷制和组装过程中造成的外应力，将在焊缝的焊接过程中产生较大的拘束应力。

这些应力增大了结晶裂纹产生的倾向。

4筒体纵缝形成结晶裂纹的原因分析

筒体纵缝形成的结晶裂纹主要在焊缝的终端，有时为距离终端附近150mm范围内。

由于埋弧焊所采用的焊接热输入量往往比其他焊接方法要大的多，加上引弧板和熄弧板尺寸较小，与筒体之间只靠定位焊连接，终端焊缝部位的传热条件较差，致使该部位局部温度升高，熔池形状发生变化，熔深变大，焊缝形状系数较小，容易产生结晶裂纹。

另外，对于开坡口的中厚板来说，焊缝的横向收缩量远比间隙的张开量要小，使终端部分的横向拉伸应力比其他焊接方法要大，增加了结晶裂纹产生的倾向。

5筒体环缝形成结晶裂纹的原因分析

我公司厚度30mm-40mm板的筒体环缝主要开如图1所示单面V形坡口，厚度41mm-50mm板的环缝主要开如图2所示U-V形坡口，采用双面埋弧焊。

形成的结晶裂纹主要在坡口侧根部焊道的第一道焊缝中心和背面清根后第一道焊缝中心。

从工艺因素对结晶裂纹的影响可知，筒体内侧坡口角度过小，钝边较大，以及背面碳弧气刨清根深度不均，坡口角度过小，导致熔合比过大，加上埋弧焊焊接的热输入过大，焊接熔池深而窄，焊缝成形系数小，容易产生结晶裂纹。

从合金元素对结晶裂纹的影响可知，由于背面碳弧气刨清根的结果，使焊缝根部碳元素增加，熔合比过大，焊缝金属稀释增加，使得S、P等元素的含量也增加，容易形成低熔点共晶，增加了结晶裂纹的产生机会。

从应力因素对结晶裂纹的影响可知，由于焊接时是先焊接V形坡口的坡口侧和U-V形坡口的U形坡口，导致焊接另一侧时，焊缝处于被拘束状态，不能自由收缩，增加了应变量，易促使裂纹的产生。

图1单边V形坡口

图2U-V形坡口

6防止结晶裂纹产生的措施

6.1控制焊缝中有害杂质的含量

相关研究表明，在一般的接头拘束度下，焊缝金属的ω（C）大于0.15%，S、P总质量分数大于0.06%，就可能出现结晶裂纹。

所以在选择焊接材料时，应当选用低碳、低磷、硫的优质焊接材料，使之与母材混合后形成的焊缝金属，其C、S、P等含量低于上列临界值。

6.2控制焊缝的截面形状

焊缝的截面形状可以成形系数表征，成形系数ψ是焊缝宽度B与熔深H之比。

相关研究表明，ψ值主要影响到枝晶成长方向及其会合面呈对向生长状态，是杂质析集严重的部位，因而最易产生热裂纹，一般希望尽可能避免出现ψ＜1的情况，即焊缝实际深度不要超过焊缝宽度。

焊缝成形系数可通过调节焊接参数来改变，提高电弧电压，降低焊接电流可明显地改善焊缝的成形，提高抗结晶裂纹的能力。

6.3改变焊接接头的坡口形式

改变坡口的形式和角度，减小钝边尺寸，可以有效减小熔合比，采用碳弧气刨背面清根时，应扩大根部焊道的宽度。

6.4改变根部焊道的焊接方法

由于埋弧焊线能量较大，焊缝根部容易出现结晶裂纹，所以可以采用焊接线能量较小，并且不影响生产效率的焊接方法，如焊条电弧焊，进行焊缝根部的打底焊。

焊条电弧焊焊接线能量较小，熔深浅，熔合比小，成形系数大，降低了根部熔池金属的稀释，减少了焊缝金属的有害的杂质元素，使结晶裂纹开裂的机会减少，并且焊条电弧焊打底焊后焊缝根部变宽，可以使埋弧焊进行焊接时成形系数变大。

6.5降低焊接拉应力

筒体在卷圆或组装后定位焊时，为增加焊接接头的拘束度，在纵缝端部的定位焊缝应不小于100mm，并应有足够的焊缝厚度，且不得有裂纹、未熔合等缺陷。

适当加大引弧板和熄弧板的尺寸，引弧板和熄弧板与筒体的定位焊必须有足够的长度和厚度，且为连续焊，对于中厚板来说，引弧板和熄弧板应保证有足够的焊缝厚度，并且最好开与纵缝相同的坡口形式。

合理布置焊缝，避免焊缝交叉，控制合理的焊接顺序，尽量使大多数焊缝能够在比较小的刚度下焊接。

7焊接工艺改进及试验

7.1焊接方法

我们原有的焊接方法为采用埋弧焊进行双面焊，根据以上分析，现改为采用焊条电弧焊打底焊结合埋弧焊的方法进行焊接。

7.2坡口形式

为了加大焊缝成形系数，减小熔合比，同时提高焊接效率，我们对坡口形式进行了如下改变：

30mm-40mm板采用双X形坡口，增大坡口角度，如图3所示。

41mm-50mm采取原有U-V形坡口，不过增大了U形坡口的根部半径，减小了钝边厚度，并把U形坡口放在了筒体外侧，如图4所示。

图3双X形坡口

图4U-V形坡口

7.3焊接材料

Q345R属低合金高强钢，中厚板抗拉强度在490MPa-630MPa之间，根据等强度原则，焊条电弧焊选用J507焊条，埋弧焊焊丝选用H10Mn2，我们原有工艺采用HJ431熔炼焊剂，但由于在焊接中厚板时坡口较深，脱渣性较差，焊后去渣打磨等工作导致焊接效率很低，所以改为采用SJ101烧结焊剂。

SJ101焊剂具有引弧容易，电弧燃烧稳定，脱渣性好等良好的焊接工艺性能。

7.4焊接工艺评定

为验证改进后焊接工艺能够满足Q345R钢制压力容器力学性能要求，根据NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》我们选用厚38mmQ345R钢板进行焊接工艺评定试验，可覆盖产品16mm-200mm厚Q345R的焊接。

因坡口形式在《承压设备焊接工艺评定》中为次要因素，为取样方便，采用单边V形坡口如图5，焊接方法为坡口侧焊条电弧焊打底，埋弧焊填充及盖面，另一面碳弧气刨清根后再采用焊条电弧焊焊妥。

图5单边V形坡口

7.4.1焊接工艺参数

预焊接工艺规程（pWPS）拟定焊接工艺参数见表1，试板焊前预热50℃，焊后经620±20℃消除应力热处理。

表1焊接工艺参数

焊接层/道

焊缝方法

焊材直径/mm

焊接电流/A

电弧电压/V

焊速/cm/min

坡口侧1/1

焊条电弧焊

3.2

100-130

22-24

8-12

坡口侧2/1

焊条电弧焊

4.0

160-180

22-28

10-15

坡口侧3~n/1

埋弧焊

4.0

550-650

32-36

45-50

另一侧1/1

焊条电弧焊

4.0

160-180

22-28

10-15

另一侧2~n/1~2

焊条电弧焊

4.0

160-180

22-28

10-15

7.4.2焊接工艺评定试验结果

（1）试板经100%RT检测，没有缺陷。

（2）室温拉伸试验，Rm1=560.86MPa，Rm2=554.85MPa，母材标准下限值为Rm=490MPa。

（3）室温弯曲试验，接头侧弯试件为165mm×38mm×10mm，弯心直径40mm，弯曲角度180°，试验结果合格。

（4）冲击试验试件尺寸为55mm×10mm×10mm，包含焊条电弧焊焊缝和埋弧焊焊缝，V形缺口，0℃下焊缝冲击功分别为100J、110J、110J，热影响区冲击功分别为190J、178J、176J。

以上各项性能指标均符合NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》的标准，因此该工艺评定合格，可用于编制焊接工艺指导书（WPS）或焊接作业指导书（WWI）用于产品焊接。

8产品焊接

以我公司蓄热器产品为例，筒体厚度为46mm，采用改进后的焊接工艺进行产品焊接，具体焊接过程如下：

8.1焊前准备

（1）焊前清除坡口及母材两侧20mm范围内的油污、铁锈、水、积渣和其他有害杂质。

（2）清除焊丝表面上的油脂和锈斑，焊丝不得有折弯。

（3）焊前J507焊条经350-400℃烘焙1~2h后保温，随用随取，SJ101焊剂经300-350℃烘焙1~2h保温，保持清洁，颗粒度均匀适宜。

（4）纵缝两端加100mm×100mm的引弧板和熄弧板，材质和板厚与筒体相同，组对时注意对平对齐，间隙不宜过大，开与筒体纵缝相同坡口形式。

8.2焊前预热

将焊件坡口两侧各150-200mm范围内母材预热到100℃，以降低焊后冷却速度，减小淬硬倾向及焊接残余应力。

8.3纵环缝焊接

（1）纵缝的焊接

纵缝采用不对称X形坡口，如图6所示，筒体内侧采用焊条电弧焊打底，然后采用埋弧焊焊妥，筒体外侧碳弧气刨清根，用砂轮机清理根部，然后再采用埋弧焊焊妥。

图6不对称X形坡口

（2）环缝的焊接

环缝采用U-V形坡口，如图7所示，筒体内侧V形坡口采取焊条电弧焊打底并焊妥，筒体外侧采用埋弧焊焊满U形坡口。

图7U-V形坡口

（3）焊接工艺参数参照表1

8.4焊接过程中注意事项

（1）坡口侧采用焊条电弧焊，打底焊时先用φ3.2mm的焊条进行焊接，然后再用φ4.0mm的焊条焊接。

（2）坡口侧焊完后，另一侧碳弧气刨清根，应注意清根后形状的修整，对坡口凹凸不平处或形状不规则处应打磨修整至符合要求为止。

（3）采用埋弧焊进行焊接，焊接时注意焊丝应对准坡口的中心，发生偏移及时调节，焊第一层时电流应小些。

（4）尽量采用多层多道焊，控制好层间温度小于300℃，但不低于预热温度。

每焊完一道应进行检查，若发现缺陷必须清除干净并修复后再进行下一道焊接。

8.5焊后热处理

焊后进行消除残余应力热处理，热处理温度为620±20℃，保温2h。

8.6焊接检验及结果

（1）按技术要求对焊缝的外观进行检验，结果合格

（2）对所有焊缝按JB/T4730-2005《承压设备无损检测》进行100%RT检测，全部合格。

结论

在分析防止产生结晶裂纹措施的基础上，根据筒体纵环缝产生结晶裂纹的原因，通过改进坡口形式，选择烧结焊剂，采用焊条电弧焊与埋弧焊相结合的方法对压力容器中厚板筒体进行焊接，采用合理的焊接工艺，降低了结晶裂纹产生的机率，减少了返修次数，提高了焊接效率，保证了焊接接头的质量。

参考文献

[1]付志鸿.蓄热器本体的焊接[J].焊接技术,2003

（1）:

48-49

[2]李继辉.16MnR钢制压力容器埋弧焊工艺[J].焊接,2004（6）:

43-44

[3]孙宝珍.压力容器焊接结晶裂纹与防止措施[J].机械管理开发,2004（4）:

62

[4]王少海.厚板碳素钢制压力容器的焊接方法控制[J].化学工程与装备,2010（9）:

139-141

[5]陈裕川.钢制压力容器焊接工艺[M].北京:

机械工业出版社,2007

[6]陈裕川.焊接工艺设计与实例分析[M].北京:

机械工业出版社,2010

[7]张彦华.焊接结构设计与应用[M].北京:

化学工业出版社,2009

[8]邹家生.材料连接原理与工艺[M].哈尔滨:

哈尔滨工业大学出版社,2004

[9]田文珍.锅炉压力容器制造中埋弧焊烧结焊剂的应用[J].机械工人（热加工）,2002

（1）:

26-27

[10]NB/T47014-2011承压设备焊接工艺评定[S]