摘 要:復(fù)合板設(shè)備成型時(shí)有其自身特點(diǎn),對焊接工藝和坡口形式有特殊要求。在生產(chǎn)不銹鋼復(fù)合板筒體的過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)裂紋等問題,直接影響到其質(zhì)量。文章就針對這方面問題進(jìn)行闡述,并提出相應(yīng)的解決措施。
關(guān)鍵詞:不銹鋼復(fù)合板;坡口;過渡層;焊接
1 概況
因?yàn)椴讳P鋼復(fù)合板兼有不銹鋼的耐蝕性和碳鋼的價(jià)格及強(qiáng)度優(yōu)勢,隨著它的制造技術(shù)日漸成熟,在容器器制造中的應(yīng)用日益廣泛。某容器制造廠,制作了幾臺主材為16MnR+OCr18Ni9的不銹鋼復(fù)合板,規(guī)格有(25+3)mm,(28+3)mm的壓力容器。在首臺壓力容器制造中筒節(jié)既沒有留型遒,也沒預(yù)壓的情況下,筒節(jié)縱縫全部焊完后,校圓時(shí)發(fā)現(xiàn)在焊縫中及熱影響區(qū)有裂紋出現(xiàn),裂紋方向沿著焊縫,有的在復(fù)層,有的在基層,有的甚至從基層裂到復(fù)層。為此技術(shù)人員分析原因,制定處理措施。
2 原因分析
筒節(jié)發(fā)生裂紋后,查看了原材料,基層、復(fù)層及復(fù)合板的化學(xué)成分,機(jī)械性能都符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。由于裂紋出現(xiàn)在筒節(jié)校圓后的焊縫和焊縫的熱影響區(qū),故從以下方面進(jìn)行分析。
2.1 16MnR和OCrI 8Ni9是兩種不同的材質(zhì),其化學(xué)成分、物理性能及晶體組織存在很大差異,導(dǎo)致在焊接中容易出現(xiàn)以下問題。
2.1.1 16MnR和OCrl 8Ni9在焊接過程中稀釋作用強(qiáng)烈,使過渡層、復(fù)層焊縫中含碳量增多,增大了結(jié)晶裂紋傾向;焊接熔合區(qū)則可能出現(xiàn)馬氏體組織而導(dǎo)致硬度和脆性增加;同時(shí)由于基層與復(fù)層的含鉻量差別較大,促使碳向復(fù)層遷移擴(kuò)散,在其交界處的焊縫金屬區(qū)域形成增碳層和脫碳層,即在基層側(cè)(16MnR)形成脫碳層,而在復(fù)層側(cè)(OCrI 8Ni9形成增碳層,兩側(cè)性能相差懸殊,這一過渡層的存在往往使塑性性能局部惡化,該過度層導(dǎo)致筒節(jié)在校圓承受壓應(yīng)力時(shí)容易出現(xiàn)裂紋。
2.1.2 由于復(fù)層和基層材料的導(dǎo)熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)相差較大,不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)約為碳鋼的1I3,線膨脹系數(shù)是碳鋼的1.5倍,隨著溫度的升高,膨脹的差值也相應(yīng)地增加。因此復(fù)合板在焊接過程中,多次熱循環(huán)會(huì)使焊接接頭內(nèi)部產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力。同時(shí)由于在焊接過程中,加熱和冷卻的不均勻,使得沿基層厚度的方向上產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力,這種殘余應(yīng)力在復(fù)層表面上形成拉伸應(yīng)力,造成了復(fù)合鋼板焊接后復(fù)層表面易產(chǎn)生裂紋,特別是微裂紋較為明顯。而這些微裂紋在筒節(jié)校圓過程中則使裂紋擴(kuò)展,形成更大的裂紋。
2.1.3 焊縫熱影響區(qū)處性能薄弱,筒節(jié)校圓是一種加壓過程,在加壓過程中熱影響區(qū)易產(chǎn)生裂紋。
2.2 坡口形式及焊接工藝不合理
2.2.1 坡口形式及相應(yīng)的焊接工藝不合理。以板材厚度規(guī)格為(28+3)mm為例,原來筒節(jié)的縱焊縫的坡口形式如圖1所示。
圖1
焊接工藝
①手工氮弧焊封底(TGFA-308L);②手工電焊(A302);③手工電焊(J507);④埋弧焊((H10MnSi+SJ 101)
2.2.2 坡口形式的不合理有以下幾個(gè)方面:(1)因?yàn)椴讳P鋼復(fù)合板的焊接關(guān)鍵是在基層與復(fù)層的交界處(即過渡層),通過前面的分析知道,此處易出現(xiàn)應(yīng)力集中、馬氏體組織和熱裂紋等缺陷,此種坡口形式及焊接工藝雖然減小了清根的工作量,但對復(fù)層的焊接高度不好控制,加上錯(cuò)邊量的影響,基層與復(fù)層交界處(即過渡層)的位置也不好確定,也就談不上對各種缺陷的控制。(2)焊接復(fù)層時(shí)合金元素很容易熔入基層母材中,造成對復(fù)層焊縫的稀釋,易出現(xiàn)馬氏體組織。
2.3 筒節(jié)制作工藝不合理
筒節(jié)在滾圓前應(yīng)增加壓頭工序,但該廠在采購板材時(shí),為了節(jié)約成本,按封頭實(shí)際周長展開尺寸采購板材,沒留帶頭板;也沒有進(jìn)行壓頭,加上板材又比較厚,筒節(jié)直徑比較?。ㄖ?000mm),要想使己經(jīng)焊接完畢的筒節(jié)上焊縫兩邊較短的直邊段變成圓形,就需要在筒節(jié)校圓過程中,施加很大的壓力;筒節(jié)校圓過程中筒節(jié)的受力情況就比較復(fù)雜,既有來自于上輥向下的壓力,也有輥?zhàn)酉騼蓚?cè)的切向力,此時(shí)焊縫內(nèi)側(cè)處于受壓區(qū),外側(cè)是受拉狀態(tài),特別是由于筒體焊縫內(nèi)外余高都沒有打磨導(dǎo)致受力不均勻,在焊縫經(jīng)過上輥時(shí),前進(jìn)后退過程中沖擊力較大,導(dǎo)致基層外側(cè)焊縫熱影響區(qū)處容易產(chǎn)生裂紋。由于直邊段的存在,在筒節(jié)校圓過程中,施加在焊縫兩邊的直邊段的壓應(yīng)力很大,相應(yīng)地在焊縫兩側(cè)外表面產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力,當(dāng)拉應(yīng)力超過焊縫或熱影響區(qū)材料的強(qiáng)度極限時(shí),裂紋就出現(xiàn)了。
3 采取的措施
3.1 在筒體卷圓前,增加壓頭工序,筒節(jié)焊縫處基本沒有直邊存在,曲率比不壓頭時(shí)的曲率要大,則校圓過程中的塑性變形較小,加載的壓力相對于不壓頭時(shí)要小得多,此時(shí)焊縫及熱影響區(qū)承受的壓力也較小,也就減小了出現(xiàn)裂紋的可能性。
3.2 在焊完基層后,不焊過渡層和復(fù)層就校圓。因?yàn)楹高^渡層及復(fù)層時(shí),對焊縫及熱影響區(qū)處基層的各種性能影響很大,還有可能出現(xiàn)馬氏體組織,在校圓過程中就很容易出現(xiàn)裂紋。
3.3 焊縫的坡口形式及焊接工藝需要修改。復(fù)合板一般較厚,所以焊接方法一般基層采用埋弧自動(dòng)焊,復(fù)層采用手工焊。焊接坡口的選擇原則是基體熔合的焊縫金屬量愈少愈好,即熔合比越小越好,其目的是減少馬氏體組織,避免或減少出現(xiàn)冷裂紋。同時(shí)為了減少合金元素的稀釋,也應(yīng)減小熔合比,采用小電流,快速進(jìn)行焊接。需要指出的是,線能量不能過小,也不能過大。線能量過小,會(huì)增大熔合區(qū)的硬化程度,對韌性和防止裂紋不利,極易出現(xiàn)再熱裂紋;線能量過大,會(huì)促使馬氏體組織的形成,同時(shí)增大了奧氏體過熱,易使焊縫脆化。所以說,只有選擇適中的線能量,才能既保證熔合比較小,又能防止再熱裂紋及脆化。仍以板厚規(guī)格為(28+3)mm為例,坡口形式如圖2所示。此種坡口形式使基層與復(fù)層嚴(yán)格區(qū)分開,使基層與復(fù)層的交界處遠(yuǎn)離焊接熱量集中區(qū),避免了基層焊接時(shí)復(fù)層的分層,有利于防止復(fù)層被污染。
圖2
保證過渡層及復(fù)層的焊接質(zhì)量。由于復(fù)層受基層的稀釋作用,過渡層易產(chǎn)生馬氏體組織。為避免出現(xiàn)馬氏體,過渡層的焊接采用小直徑,高鉻、猛鎳焊條,并采用合適的小線能量、短弧焊、快速焊,焊條不允許做橫向擺動(dòng),以降低對復(fù)層的稀釋,并控制過渡層和復(fù)合層的層間溫度不超過100℃,保證接頭的耐蝕性能,焊過渡層時(shí)要求打磨內(nèi)側(cè)基層焊縫,使其余高為零,先焊基層與復(fù)層交界處焊縫:最后焊復(fù)層。
4 結(jié)束語
通過采取以上措施,效果非常明顯,該廠在后面的不銹鋼復(fù)合板設(shè)備制造中采取以上措施后,在筒節(jié)的焊縫及熱影響區(qū)處,沒有出現(xiàn)裂紋,焊接接頭作的晶間腐蝕試驗(yàn)也符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求,提高和穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量,并形成了成熟的制造工藝。
4.1 筒節(jié)卷制前,如果沒留帶頭板,應(yīng)進(jìn)行預(yù)壓。
4.2 坡口形式盡量選用剝離復(fù)層的方式,而且一定要將復(fù)層剝離干凈,使基層與復(fù)層的交界處遠(yuǎn)離焊接時(shí)熱量集中區(qū)。
4.3 過渡層焊接時(shí),先焊基層與復(fù)層的交界處,過渡層及復(fù)層的焊接應(yīng)采用小直徑、快速、短弧焊,避免焊條的橫向擺動(dòng),并注意控制過渡層及復(fù)層的層間溫度,保證焊縫的耐蝕性能。
參考文獻(xiàn)
[1]李玉虎,等.904L復(fù)合板水合反應(yīng)器的制造[J].壓力容器,2009-9.