古朋贊，盛水平 ，林文賢，邢 璐

（1.溫嶺市錢(qián)江化工機(jī)械有限公司，浙江 溫嶺 317500；2.杭州市特種設(shè)備檢測(cè)院，浙江 杭州 310003）

0 前言

2012年，某公司在制造一批S31008不銹鋼容器的過(guò)程中，在筒體縱縫焊接完工后進(jìn)行100%X射線檢測(cè)時(shí)，局部發(fā)現(xiàn)條狀?yuàn)A渣，焊工對(duì)缺陷進(jìn)行打磨、補(bǔ)焊返修后，重新射線檢測(cè)發(fā)現(xiàn)裂紋，有的經(jīng)屢次返修后在附近不同的地方出現(xiàn)裂紋。

不銹鋼壓力容器直徑φ1400 mm，筒體長(zhǎng)度2000 mm，厚度16 mm，鋼板符合GB 24511-2009《承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板和鋼帶》。牌號(hào)為06Cr25Ni20，按GB/T 20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼材牌號(hào)和化學(xué)成分》中統(tǒng)一數(shù)字代號(hào)為S31008，化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1、表2所示。焊接方法為焊條電弧焊，采用Y型坡口，背面清根。焊條選擇國(guó)內(nèi)名牌廠家生產(chǎn)的E310-16，牌號(hào)為A402，直徑φ4 mm，符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 983-1995《不銹鋼焊條》，且按NB/T47018.2-2011《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件》訂貨的奧氏體不銹鋼焊條，熔敷金屬實(shí)際化學(xué)成分及力學(xué)性能分別如表3、表4所示。焊工持相應(yīng)焊接資質(zhì)證，采用經(jīng)評(píng)定合格的焊接工藝。焊接工藝評(píng)定采用厚度為16 mm平板對(duì)接試件，焊接工藝參數(shù)為：焊接電流145 A，焊接速度大于等于15 cm/min，層間溫度控制在100℃以下，層間清理干凈，正反共焊接八層；焊后表面檢驗(yàn)無(wú)缺陷，X射線檢測(cè)按JB4730.2-2005評(píng)定Ⅰ級(jí)合格，抗拉強(qiáng)度580 MPa，側(cè)向彎曲合格，按NB/T 47014-2011焊接工藝評(píng)定合格。采用同樣的工藝焊接產(chǎn)品時(shí)出現(xiàn)夾渣缺陷，特別是出現(xiàn)夾渣缺陷之后的返修又出現(xiàn)了裂紋，而且需要超次返修則應(yīng)該引起足夠的重視。

表1 S31008鋼板實(shí)際化學(xué)成分%

表2 S31008鋼板力學(xué)性能

表3 焊條E310-16化學(xué)成分%

表4 焊條E310-16未經(jīng)稀釋的焊縫金屬力學(xué)性能

1 返修裂紋形成的原因分析

返修裂紋有的呈縱向位于焊縫中心，有的在近縫區(qū)之前沒(méi)有缺陷的部位重新出現(xiàn)微小裂紋，在X射線底片上如頭發(fā)絲一般，且呈彎曲狀，長(zhǎng)約1～2 mm；還有的呈長(zhǎng)條狀，與焊縫平行。對(duì)于裂紋形成的原因可以從三個(gè)方面分析：一是母材；二是實(shí)際施焊工藝；三是裂紋形態(tài)和產(chǎn)生時(shí)機(jī)。

1.1 對(duì)母材的分析

S31008的合金成分中Cr、Ni含量高，屬于25-20型耐熱不銹鋼，金相組織為單一奧氏體，無(wú)磁性，具有較高的熱強(qiáng)性和優(yōu)良的耐腐蝕性。它的物理特性是熱導(dǎo)率小，為碳鋼的1/3，線膨脹系數(shù)大，是碳鋼的1.4倍，因此在焊接局部加熱和冷卻條件下，焊接接頭高溫停留時(shí)間較長(zhǎng)，焊縫金屬及近縫區(qū)在高溫承受較高的拉伸應(yīng)力與拉伸應(yīng)變，而奧氏體不銹鋼焊縫，通常聯(lián)生結(jié)晶形成方向性很強(qiáng)的粗大柱狀晶組織，在凝固結(jié)晶過(guò)程中，一些雜質(zhì)元素如S、P易在晶間形成低熔點(diǎn)的液態(tài)膜，造成焊接凝固裂紋。對(duì)于奧氏體不銹鋼母材，當(dāng)上述雜質(zhì)元素的含量較高時(shí)，易產(chǎn)生近縫區(qū)的液化裂紋，這兩種裂紋都屬于熱裂紋。奧氏體不銹鋼的焊接性?xún)?yōu)于其他不銹鋼，在焊態(tài)下奧氏體不銹鋼接頭也有較好的塑性和韌性，且對(duì)氫脆不敏感，通常不會(huì)產(chǎn)生延遲裂紋[1-3]。

2.2 焊接與返修工藝

在焊接工藝評(píng)定試件時(shí)，焊接參數(shù)小，層間溫度底，試件處于自由變形狀態(tài)，工藝評(píng)定試件焊縫短，焊接應(yīng)力小，操作工技術(shù)熟練、態(tài)度認(rèn)真，坡口清理仔細(xì)，焊接接頭未出現(xiàn)任何缺陷。正式焊接產(chǎn)品時(shí)，焊接工藝控制得好，母材和焊材質(zhì)量合格，裂紋也不容易出現(xiàn)，但受坡口情況及焊工手工操作的限制，還是會(huì)出現(xiàn)條狀?yuàn)A渣等其他焊接缺陷。在焊接返修時(shí)，用碳弧氣刨清除缺陷并打磨干凈后，連續(xù)焊接多層，如果不注意層溫的控制，則容易造成焊縫過(guò)熱，加上拘束應(yīng)力，在焊縫中心及近縫區(qū)出現(xiàn)裂紋。為此，對(duì)鍋爐壓力容器從焊接工藝評(píng)定與焊接工藝、焊接材料、施焊過(guò)程、焊工培訓(xùn)、焊接檢驗(yàn)、焊縫返修等6個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行質(zhì)量控制，焊縫返修一般采用焊條電弧焊進(jìn)行，這是由于焊條電弧焊具有操作方便、位置適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[4]。

1.3 裂紋形態(tài)及產(chǎn)生時(shí)機(jī)

結(jié)合對(duì)母材和返修工藝的分析，從返修X射線底片的裂紋形態(tài)來(lái)看，返修焊縫中心處裂紋多數(shù)很細(xì)小，走向呈縱向，這屬于典型焊接熱裂紋的一種，在凝固、結(jié)晶時(shí)出現(xiàn)裂紋，即凝固裂紋，也稱(chēng)結(jié)晶裂紋；返修時(shí)在鄰近的熱影響區(qū)焊趾處或焊道下出現(xiàn)的細(xì)若發(fā)絲、稍帶彎曲形狀的則是液化裂紋。

2 提出解決方案與實(shí)施

通過(guò)以上分析，可以判斷裂紋性質(zhì)為焊接熱裂紋，而焊接熱裂紋的控制主要應(yīng)從以下方面考慮。

2.1 控制焊縫金屬成分

對(duì)于單相奧氏體而言，成分控制中一個(gè)極為重要的環(huán)節(jié)就是限制有害雜質(zhì)的含量，尤其是嚴(yán)格限制硫、磷含量。硅是非常有害的雜質(zhì)，鈮也促使熱裂，因?yàn)楣韬外壘尚纬傻腿埸c(diǎn)共晶。

本次產(chǎn)品母材和焊材均是符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的，母材及焊材中硅含量均小于等于1%，硫、磷等雜質(zhì)限量也能得到保證，且都不含鈮，這一點(diǎn)在一次焊接完工后沒(méi)有出現(xiàn)裂紋缺陷得以驗(yàn)證。但返修后出現(xiàn)裂紋就可能與返修清理是否干凈有關(guān)，因此返修操作要求碳弧氣刨后，殘?jiān)蚰ジ蓛簦⒉捎貌讳P鋼專(zhuān)用的鋼絲刷清理，以防止有含雜質(zhì)的浸入，影響焊縫金屬成分。

2.2 調(diào)整焊接返修工藝

焊接工藝的影響是多方面的，復(fù)雜的可選擇熟練的焊工、限制過(guò)熱、控制成形系數(shù)、減小熔合比、降低拘束度等手段[5-6]。

焊條電弧焊時(shí)焊工技術(shù)是焊接質(zhì)量的重要影響因素，應(yīng)挑選技術(shù)熟練的焊工。熔池過(guò)熱易促使熱裂，應(yīng)降低熱輸入，采用盡量小的焊接電流，在保證熔合良好的情況下加快焊接速度，每一層的焊接接頭相互錯(cuò)開(kāi)、嚴(yán)格控制層間溫度，這樣可以減小晶粒度和降低應(yīng)變量，減小結(jié)晶裂紋傾向，同時(shí)縮小固相近縫區(qū)的熱裂敏感區(qū)的，從而減小焊接接頭熱裂傾向。焊縫成形系數(shù)即熔深和熔寬之比（常用F表示），F(xiàn)值越大越易于出現(xiàn)熱裂紋，因此，返修時(shí)應(yīng)注意控制焊縫成形系數(shù)，熔深不能大，尤其注意避免出現(xiàn)梨形焊道。通常情況下，焊材比母材有著更低的雜質(zhì)含量，減小熔合比也就是減小母材稀釋率，有利于防止焊接熱裂紋。減小熔合比的措施通常也是降低焊接電流。

降低拘束度可以降低焊接時(shí)的應(yīng)力，有利于減少裂紋發(fā)生的概率。實(shí)際中可以采取的措施有控制裝配間隙、改進(jìn)裝配質(zhì)量等，但對(duì)于返修尤其是多次返修的焊縫，裝配質(zhì)量通常無(wú)從改進(jìn)，除非整條焊縫刨開(kāi)重新施焊。此時(shí)能做的就是采取有效措施降低焊接殘余應(yīng)力，這非常關(guān)鍵。

降低焊接殘余應(yīng)力的基本原理是通過(guò)某種措施作用于焊縫及近縫區(qū)，使其產(chǎn)生適量的塑性變形，從而達(dá)到松弛殘余應(yīng)力的目的。消除和降低焊接殘余應(yīng)力的方法有熱處理法、振動(dòng)法、捶擊法、拋丸法、機(jī)械拉伸法等。錘擊法是一種非常有效地消除焊接應(yīng)力的方法，它不僅可以有效地降低焊接殘余應(yīng)力，甚至可以在錘擊處理金屬表面及一定深度范圍內(nèi)形成壓應(yīng)力區(qū)，從而改變焊接區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)。在一些實(shí)際應(yīng)用中，焊接殘余應(yīng)力的消除甚至可以達(dá)到50%以上。與其他消除殘余應(yīng)力的方法相比，錘擊法可以節(jié)省能源，降低成本，提高效率，是在施工過(guò)程中即可實(shí)現(xiàn)的工藝措施[5-7]。錘擊既可以消除應(yīng)力，還可以改善焊縫的性能。錘擊可起到對(duì)鑄態(tài)焊縫的再鍛造的作用，使焊縫由鑄態(tài)變?yōu)闇?zhǔn)鍛態(tài)，使其韌性和硬度分別提高了30%和15%，其機(jī)制是錘擊改善了晶粒的形態(tài)，消除了鑄態(tài)缺陷，增加了位錯(cuò)密度[8]。采用球面錘頭單次錘擊時(shí)，錘擊部位的殘余拉應(yīng)力值急劇降低，錘擊有效范圍位于接觸區(qū)域附近。在一定的沖擊能量范圍內(nèi)，沖擊能量越大，消應(yīng)力效果越顯著。沖擊能量一定時(shí)，隨著錘頭端面曲率半徑增加，接觸區(qū)擴(kuò)大，消應(yīng)力范圍增加，但消除應(yīng)力的效果有所降低[9]。

2.3 返修實(shí)施

本次返修的焊縫位于丁字口的環(huán)焊縫處，返修時(shí)根據(jù)刨槽大小，選擇直徑φ3.2的焊條，這樣可使焊接電流更小，達(dá)到110 A，焊接熱輸入更低，每層焊肉盡量薄。返修前用尖的榔頭用力錘擊坡口周?chē)昂缚p中心，焊接過(guò)程中每焊一層都要錘擊焊縫和收弧處，然后用冷的濕毛巾敷或直接用冷水潑在焊接接頭周?chē)氨趁?，加快焊接焊頭冷卻速度，待水分干后再焊下一層，且層間溫度不超過(guò)60℃。采取以上措施后，超次返修焊縫拍片均一次合格。

3 結(jié)論

單一奧氏體不銹鋼焊接時(shí)如果不能有效避免焊接缺陷，焊后對(duì)這些缺陷進(jìn)行返修時(shí)則極易出現(xiàn)焊接熱裂紋，究其原因是奧氏體材料導(dǎo)熱差，且返修處應(yīng)力比一次焊接時(shí)應(yīng)力大，多次返修則應(yīng)力更大，多層焊接時(shí)即使層間溫度得到有效控制，焊接時(shí)輸入的熱量加上拘束應(yīng)力，則足以在焊縫區(qū)或熱影響區(qū)出現(xiàn)熱裂紋。

控制熱裂紋的措施除了焊工、焊縫成形以外，最重要的就是溫度和應(yīng)力，當(dāng)溫度也能得到有效控制后，應(yīng)力就是最主要的原因，這一點(diǎn)在多次返修易出裂紋特別是縱縫和環(huán)縫相交的丁字口附近最易出現(xiàn)，返修難度大，足以說(shuō)明應(yīng)力對(duì)熱裂紋的影響。

嚴(yán)格控制溫度，而返修后探傷仍然發(fā)現(xiàn)裂紋，返修焊接時(shí)每層都很薄，且焊接過(guò)程中每焊完一層都仔細(xì)檢查，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋，說(shuō)明該裂紋產(chǎn)生于前一道焊縫中，屬液化裂紋或失延裂紋，可見(jiàn)此處焊接殘余應(yīng)力相當(dāng)大。再次返修刨除缺陷后，利用奧氏體鋼的高塑性對(duì)坡口周?chē)懊恳粚雍负蟮暮缚p用力錘擊，并控制層間溫度，焊后經(jīng)拍片合格，說(shuō)明采取的措施是有效的，而且這些措施需要綜合使用。

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