(廣東石油化工學(xué)院,廣東 茂名 525000)
在壓力容器生產(chǎn)領(lǐng)域使用較為廣泛的16mnR鋼板埋弧焊技術(shù),在實(shí)際應(yīng)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(xiàng)重要的缺陷,一旦在焊接中出現(xiàn),會(huì)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(duì)焊接裂縫問題有足夠的認(rèn)識(shí),并做好預(yù)防以及處理工作。本文將結(jié)合自身的研究經(jīng)驗(yàn),對(duì)16 mnR鋼板埋弧焊產(chǎn)生焊接裂紋這一問題進(jìn)行充分的論述,希望能為實(shí)際生產(chǎn)過程中的焊接質(zhì)量提升提供一定的幫助。
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(duì)結(jié)晶裂紋進(jìn)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(jié)晶裂紋。在結(jié)晶裂紋產(chǎn)生過程中我們對(duì)其進(jìn)行總結(jié),可以發(fā)現(xiàn)結(jié)晶裂紋有基礎(chǔ)較為明顯的特征:①結(jié)晶裂紋往往出現(xiàn)在對(duì)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(jié)晶裂紋的幾率隨之增大,這就說明無(wú)論是鋼材還是焊劑,只要內(nèi)部存在著不利成分,都會(huì)對(duì)結(jié)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(jié)晶裂紋;厚度較大的鋼板(>20 mm)無(wú)論是縱縫還是環(huán)縫,都會(huì)出現(xiàn)裂紋,并且呈現(xiàn)出不規(guī)則、無(wú)規(guī)律等現(xiàn)象。
核心原因是結(jié)構(gòu)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(shí)一定會(huì)存在力學(xué)上的反應(yīng)。所以我們可以對(duì)造成這種局部破壞力量的來源進(jìn)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(jìn)行融化,再對(duì)液化后的金屬進(jìn)行對(duì)接,而在金屬液化結(jié)束后,逐漸地凝固放熱,從而把兩端的金屬進(jìn)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(huì)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(huì)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(yīng)力。焊縫開始結(jié)晶與凝固的過程中,拉應(yīng)力并不會(huì)立刻引起裂紋,此刻的金屬晶體逐漸生長(zhǎng),且液態(tài)金屬尚有較好的流動(dòng)性,可以在焊縫內(nèi)流動(dòng),從而填滿拉應(yīng)力已經(jīng)造成的裂縫和間隙。
隨著溫度的進(jìn)一步下降,兩側(cè)金屬柱狀晶體所產(chǎn)生的拉應(yīng)力不斷擴(kuò)大,而焊縫內(nèi)尚存低熔點(diǎn)、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(dòng),所以在焊縫即將凝固時(shí),低熔點(diǎn)共晶體還處于液態(tài),此時(shí)焊接處已經(jīng)存在著較大的拉應(yīng)力,由于液態(tài)不存在強(qiáng)度,所以使晶粒之間不能充分地進(jìn)行結(jié)合。在這種應(yīng)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(diǎn)共晶體,晶粒之間可以比較牢靠地進(jìn)行結(jié)合,即便應(yīng)力存在,但由于晶粒之間的結(jié)合程度較高,也不會(huì)出現(xiàn)裂紋。所以焊接處的低熔點(diǎn)共晶體與拉應(yīng)力都是產(chǎn)生裂紋的主要原因。拉應(yīng)力在低熔點(diǎn)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(jié)晶的過程中,所以被稱之為結(jié)晶裂紋。
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(duì)于焊接的熱輸出遠(yuǎn)超其他焊接方法,所以焊接線的能量大小對(duì)于焊縫成形起到了至關(guān)重要的作用,焊縫的成形對(duì)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(jié)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(huì)導(dǎo)致橫向拉伸力大于其他焊接方法。
2.2.2 焊縫的雜質(zhì)含量以及應(yīng)力
在焊縫結(jié)晶的過程中,低熔點(diǎn)結(jié)晶的主要來源就是焊縫中存在的雜質(zhì),這種情況主要是因?yàn)榈腿埸c(diǎn)共晶物在結(jié)晶時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)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(yīng)力,但是液態(tài)薄膜不能承受應(yīng)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(duì)焊縫金屬內(nèi)雜質(zhì)的含量進(jìn)行控制,由此可以看出裂縫是焊接應(yīng)力與金屬雜質(zhì)的共同作用。
1)控制好坡口形式。可以通過改變焊縫坡口的方式降低應(yīng)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(shí),會(huì)導(dǎo)致在焊縫由液化凝固時(shí)收縮變大,從而應(yīng)力隨之增大。在鋼板的劃線階段就要對(duì)板料的棱角度進(jìn)行控制,保證在板料的每個(gè)環(huán)節(jié)都進(jìn)行控制,以免出現(xiàn)間隙變大等現(xiàn)象。
2)降低背面點(diǎn)固焊的長(zhǎng)度以及點(diǎn)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(yīng)力的作用,但在焊接時(shí),一定要注意不能出現(xiàn)燒穿等現(xiàn)象。
3)對(duì)焊件進(jìn)行預(yù)熱。通過對(duì)焊件的預(yù)熱,也可以達(dá)到降低結(jié)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(cè)的溫差減小。當(dāng)溫差較小時(shí),會(huì)獲得應(yīng)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(jìn)行加熱,減低內(nèi)外的溫差。
低熔點(diǎn)共晶體與應(yīng)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(guān)系,低熔點(diǎn)共晶體的出現(xiàn)與焊縫中的幾種元素直接相關(guān)。如硫以及磷是屬于對(duì)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(diǎn)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(shù)提升淬硬性,所以也會(huì)導(dǎo)致焊縫內(nèi)部的應(yīng)力上升。此外,碳元素也容易在鋼中結(jié)合其他元素,形成低熔點(diǎn)共晶體。所以在焊接的過程中,要對(duì)焊縫中的金屬成分進(jìn)行有效的控制,降低有害成分的含量,可以從以下方面來進(jìn)行。①對(duì)金屬的母材進(jìn)行控制,一般壓力容器需要使用的16 mnR鋼板,要審查好質(zhì)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(yīng)用于自動(dòng)埋弧焊。②對(duì)焊劑的成分進(jìn)行控制。焊縫對(duì)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(biāo)等現(xiàn)象,都會(huì)造成焊接出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象,所以在使用焊劑之前,要對(duì)焊劑的質(zhì)量進(jìn)行審核,以免因?yàn)镾/P等元素的超標(biāo)產(chǎn)生焊接裂紋,從而影響質(zhì)量。
在生產(chǎn)壓力容器的過程中,16 mnR鋼板埋弧焊的自動(dòng)焊有很大幾率出現(xiàn)熱裂紋,也就是結(jié)晶裂紋。結(jié)晶裂紋產(chǎn)生的原因,主要是由于材料中的低熔點(diǎn)共晶體存在并與焊接拉應(yīng)力發(fā)生相互作用。所以低熔點(diǎn)共晶體與焊接拉應(yīng)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(jié)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(duì)低熔點(diǎn)共晶體與焊接拉應(yīng)力進(jìn)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。