壓力容器中厚板筒體焊接結(jié)晶裂紋分析及工藝改進

1、畢業(yè)論文壓力容器中厚板筒體焊接結(jié)晶裂紋分析與工藝改進摘要分析了壓力容器中厚板筒體在焊接中出現(xiàn)的結(jié)晶裂紋，并具體分析了筒體縱環(huán)縫產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的原因。針對上述問題，提出了以焊條電弧焊打底，結(jié)合埋弧焊的焊接方法，并從坡口的選擇、焊材的選擇、焊接操作等方面出發(fā)，制定了可行的焊接工藝，保證了壓力容器中厚板筒體焊接接頭的質(zhì)量。關(guān)鍵詞：中厚板；結(jié)晶裂紋；筒體縱縫；筒體環(huán)縫；焊接工藝AbstractAnalyze the crystal cracks appeared in the thicker plate of pressure vessel, and analyze specifically the r

2、eason of the crystal cracks that appeared in the longitudinal and circumferential joints in cylindrical shell. According with the above questions, to propose the welding of the first layer use SMAW, then use SAW, and from the choice of groove, welding material selection, welding of operation etc. Ma

3、ke a feasible welding process. Ensure the quality of welding joints in the thicker plate of pressure vessel.Key words: thicker plate; crystal cracks; longitudinal joints; circumferential joints; welding process目錄0 前言51 結(jié)晶裂紋52 結(jié)晶裂紋形成機理53 結(jié)晶裂紋形成的影響因素63.1 合金元素對結(jié)晶裂紋的影響63.2 工藝因素對結(jié)晶裂紋的影響63.3 應(yīng)力因素對結(jié)晶裂紋的影響7

4、4 筒體縱縫形成結(jié)晶裂紋的原因分析75 筒體環(huán)縫形成結(jié)晶裂紋的原因分析76 防止結(jié)晶裂紋產(chǎn)生的措施86.1 控制焊縫中有害雜質(zhì)的含量86.2 控制焊縫的截面形狀86.3 改變焊接接頭的坡口形式86.4 改變根部焊道的焊接方法96.5 降低焊接拉應(yīng)力97 焊接工藝改進及試驗97.1 焊接方法97.2 坡口形式97.3 焊接材料107.4 焊接工藝評定108 產(chǎn)品焊接118.1 焊前準(zhǔn)備118.2 焊前預(yù)熱128.3 縱環(huán)縫焊接128.4 焊接過程中注意事項138.5 焊后熱處理138.6 焊接檢驗及結(jié)果13結(jié)論14參考文獻15致謝16壓力容器中厚板筒體焊接結(jié)晶裂紋分析與工藝改進0 前言我廠制作的

5、蓄熱器，主體材料為Q345R，厚度從30mm50mm不等，屬于中厚板焊接，采用埋弧焊能提高勞動生產(chǎn)率，降低勞動強度和生產(chǎn)成本。但我公司采用雙面埋弧焊焊接時，在筒體縱縫的端部和環(huán)縫的焊縫根部發(fā)現(xiàn)了沿焊縫結(jié)晶面中心線形成的縱向裂紋，屬于典型的結(jié)晶裂紋。采用焊條電弧焊返修后，經(jīng)無損檢測沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，但返修影響了生產(chǎn)工期，提高了焊工的勞動強度和生產(chǎn)成本，因此，研究Q345R中厚板焊接中出現(xiàn)的結(jié)晶裂紋及防止措施，改進焊接工藝，具有重要意義。1 結(jié)晶裂紋結(jié)晶裂紋是焊縫結(jié)晶過程中，在固相線附近，由于凝固金屬的收縮，殘余液態(tài)金屬不足而不能及時填充，在應(yīng)力作用下發(fā)生沿晶開裂。結(jié)晶裂紋最常見的是沿焊縫中心的縱向裂

6、紋。結(jié)晶裂紋主要產(chǎn)生在含雜質(zhì)較多的碳鋼、低合金鋼焊縫中和單相奧氏體鋼、鎳基合金以及某些鋁合金的焊縫中，有時也會在熱影響區(qū)產(chǎn)生。2 結(jié)晶裂紋形成機理焊縫金屬的結(jié)晶裂紋與初生結(jié)晶過程密切相關(guān)，當(dāng)焊接電弧建立后，焊接材料和母材同時熔化而形成焊接熔池，并在電弧熱的作用下被加熱到相當(dāng)高的溫度，熔池金屬受熱膨脹，作為熔池底部的母材不能自由伸縮，故高溫液態(tài)熔池受到一定壓應(yīng)力的作用。隨著焊接熱源向前移動，焊接熔池開始逐漸冷卻，并以半熔化狀態(tài)的母材為晶核開始初次結(jié)晶。按金屬學(xué)原理，最先結(jié)晶的是純度較高的合金，最后凝固的是低熔點共晶體，其數(shù)量取決于焊縫金屬中C、S、P和其他可能形成共晶體的合金元素的含量。當(dāng)母材或

7、焊接材料中雜質(zhì)含量較高，焊縫金屬中低熔點共晶體的數(shù)量較多，初生結(jié)晶的偏析程度加大，并在初生晶體之間形成連續(xù)的低熔點液膜，焊接熔池隨著冷卻而受到收縮應(yīng)力作用時，被液膜分隔的晶體邊界就會被拉開而形成裂紋。不是所有存在低熔共晶體的焊縫金屬都會產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，結(jié)晶裂紋的形成還與其他一些因素有關(guān)。首先應(yīng)考慮到正在結(jié)晶的焊縫金屬所經(jīng)受的應(yīng)變速率與低熔點共晶體凝固速度之間的關(guān)系，如果在某種條件下，焊縫金屬的應(yīng)變速率高于低熔點共晶體的凝固速度，則就提高了裂紋形成機率，反之則明顯減少裂紋的可能性；其次是焊接熔池金屬初生晶體的長大方向與殘留低熔共晶體的相對位置，當(dāng)?shù)腿酃簿w被夾在正在長大的柱狀晶體之間，或者處于從兩

8、面相對增長的晶面之間時，焊縫金屬在結(jié)晶過程中容易被焊接收縮應(yīng)力拉開而形成裂紋，當(dāng)?shù)腿酃簿w被長大的晶體推向熔池表面，沒有在柱狀晶體之間時，不易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。由此可見，焊縫結(jié)晶裂紋的形成必須同時具備下列三個條件（1）在焊接熔池金屬中必須存在一定數(shù)量的低熔共晶體，這主要取決于母材和焊接材料中的雜質(zhì)和易形成低熔共晶體的合金成分含量以及熔池的過熱程度；（2）焊接熔池的形狀和結(jié)晶方式可使低熔共晶體封閉在柱狀晶體之間；（3）焊縫金屬在結(jié)晶過程中經(jīng)受相當(dāng)速率的應(yīng)變，而應(yīng)變速率的大小由熔池的體積、焊件形狀、接頭形式和壁厚所決定。3 結(jié)晶裂紋形成的影響因素3.1 合金元素對結(jié)晶裂紋的影響（1）硫、磷：在鋼中是增

9、大結(jié)晶裂紋傾向的元素。它使合金的結(jié)晶溫度區(qū)間增大，硫和磷是鋼中極易偏析的元素，易在晶界形成多種低熔點共晶。（2）碳：在鋼中是影響結(jié)晶裂紋的主要元素，并能加劇其他元素（如硫、磷等）的有害作用。（3）錳：具有脫硫作用，能置換FeS為MnS，同時也能改善硫化物的分布形態(tài)，使薄膜狀FeS改變?yōu)榍驙罘植?，從而提高了焊縫金屬的抗裂性。（4）硅：少量的硅可消除結(jié)晶裂紋，因它是形成相的元素。但當(dāng)硅含量超過0.4%時，容易形成低熔點的硅酸鹽夾雜，降低焊縫力學(xué)性能，并增加裂紋傾向。3.2 工藝因素對結(jié)晶裂紋的影響（1）焊接線能量：焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的晶粒大小與線能量有著密切關(guān)系，晶內(nèi)的偏析程度也與線能量存在一定關(guān)

10、系，一般來講，晶內(nèi)的偏析程度與線能量成正比，即線能量越大，偏析程度越嚴(yán)重，在晶界處，易產(chǎn)生低熔點共晶體。另外，隨著線能量的增加，會使熱影響區(qū)粗晶區(qū)的晶粒過于粗大，降低了材料的晶界強度和塑性，從而增大了材料對熱裂紋的敏感性。（2）工件的坡口形式：采用埋弧焊進行多層焊時，坡口加工角度過小或清根造成打底層焊道的坡口角度過小，導(dǎo)致熔合比增大，使焊道熔池金屬高度稀釋形成熔池金屬C、S、P含量增加，而Mn含量減少。另外，根部焊道的焊縫形狀系數(shù)也將減小，當(dāng)焊縫形狀系數(shù)小于1時，加劇了熔池金屬結(jié)晶過程中晶粒朝熔池中心的生長，使得焊縫中心線的雜質(zhì)濃度增大，凝固后在焊縫中心線附近出現(xiàn)偏析，從而產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。3.3

11、 應(yīng)力因素對結(jié)晶裂紋的影響對于中厚板來說，由于三向應(yīng)力的存在，鋼板厚度越大，則剛度越大，焊后產(chǎn)生變形引起的焊接應(yīng)力也越大。壓力容器筒體卷制和組裝過程中造成的外應(yīng)力，將在焊縫的焊接過程中產(chǎn)生較大的拘束應(yīng)力。這些應(yīng)力增大了結(jié)晶裂紋產(chǎn)生的傾向。4 筒體縱縫形成結(jié)晶裂紋的原因分析筒體縱縫形成的結(jié)晶裂紋主要在焊縫的終端，有時為距離終端附近150mm范圍內(nèi)。由于埋弧焊所采用的焊接熱輸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較小，與筒體之間只靠定位焊連接，終端焊縫部位的傳熱條件較差，致使該部位局部溫度升高，熔池形狀發(fā)生變化，熔深變大，焊縫形狀系數(shù)較小，容易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。另外，對于開坡口的中厚板

12、來說，焊縫的橫向收縮量遠比間隙的張開量要小，使終端部分的橫向拉伸應(yīng)力比其他焊接方法要大，增加了結(jié)晶裂紋產(chǎn)生的傾向。5 筒體環(huán)縫形成結(jié)晶裂紋的原因分析我公司厚度30mm-40mm板的筒體環(huán)縫主要開如圖1所示單面V形坡口，厚度41mm-50mm板的環(huán)縫主要開如圖2所示 U-V形坡口，采用雙面埋弧焊。形成的結(jié)晶裂紋主要在坡口側(cè)根部焊道的第一道焊縫中心和背面清根后第一道焊縫中心。從工藝因素對結(jié)晶裂紋的影響可知，筒體內(nèi)側(cè)坡口角度過小，鈍邊較大，以及背面碳弧氣刨清根深度不均，坡口角度過小，導(dǎo)致熔合比過大，加上埋弧焊焊接的熱輸入過大，焊接熔池深而窄，焊縫成形系數(shù)小，容易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。從合金元素對結(jié)晶裂紋的影

13、響可知，由于背面碳弧氣刨清根的結(jié)果，使焊縫根部碳元素增加，熔合比過大，焊縫金屬稀釋增加，使得S、P等元素的含量也增加，容易形成低熔點共晶，增加了結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生機會。從應(yīng)力因素對結(jié)晶裂紋的影響可知，由于焊接時是先焊接V形坡口的坡口側(cè)和U-V形坡口的U形坡口，導(dǎo)致焊接另一側(cè)時，焊縫處于被拘束狀態(tài)，不能自由收縮，增加了應(yīng)變量，易促使裂紋的產(chǎn)生。圖1單邊V形坡口圖2 U-V形坡口6 防止結(jié)晶裂紋產(chǎn)生的措施6.1 控制焊縫中有害雜質(zhì)的含量相關(guān)研究表明，在一般的接頭拘束度下，焊縫金屬的(C)大于0.15%，S、P總質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.06%，就可能出現(xiàn)結(jié)晶裂紋。所以在選擇焊接材料時，應(yīng)當(dāng)選用低碳、低磷、硫的優(yōu)

14、質(zhì)焊接材料，使之與母材混合后形成的焊縫金屬，其C、S、P等含量低于上列臨界值。6.2 控制焊縫的截面形狀焊縫的截面形狀可以成形系數(shù)表征，成形系數(shù)是焊縫寬度B與熔深H之比。相關(guān)研究表明，值主要影響到枝晶成長方向及其會合面呈對向生長狀態(tài)，是雜質(zhì)析集嚴(yán)重的部位，因而最易產(chǎn)生熱裂紋，一般希望盡可能避免出現(xiàn)1的情況，即焊縫實際深度不要超過焊縫寬度。焊縫成形系數(shù)可通過調(diào)節(jié)焊接參數(shù)來改變，提高電弧電壓，降低焊接電流可明顯地改善焊縫的成形，提高抗結(jié)晶裂紋的能力。6.3 改變焊接接頭的坡口形式改變坡口的形式和角度，減小鈍邊尺寸，可以有效減小熔合比，采用碳弧氣刨背面清根時，應(yīng)擴大根部焊道的寬度。6.4 改變根部焊

15、道的焊接方法由于埋弧焊線能量較大，焊縫根部容易出現(xiàn)結(jié)晶裂紋，所以可以采用焊接線能量較小，并且不影響生產(chǎn)效率的焊接方法，如焊條電弧焊，進行焊縫根部的打底焊。焊條電弧焊焊接線能量較小，熔深淺，熔合比小，成形系數(shù)大，降低了根部熔池金屬的稀釋，減少了焊縫金屬的有害的雜質(zhì)元素，使結(jié)晶裂紋開裂的機會減少，并且焊條電弧焊打底焊后焊縫根部變寬，可以使埋弧焊進行焊接時成形系數(shù)變大。6.5 降低焊接拉應(yīng)力筒體在卷圓或組裝后定位焊時，為增加焊接接頭的拘束度，在縱縫端部的定位焊縫應(yīng)不小于100mm，并應(yīng)有足夠的焊縫厚度，且不得有裂紋、未熔合等缺陷。適當(dāng)加大引弧板和熄弧板的尺寸，引弧板和熄弧板與筒體的定位焊必須有足夠的

16、長度和厚度，且為連續(xù)焊，對于中厚板來說，引弧板和熄弧板應(yīng)保證有足夠的焊縫厚度，并且最好開與縱縫相同的坡口形式。合理布置焊縫，避免焊縫交叉，控制合理的焊接順序，盡量使大多數(shù)焊縫能夠在比較小的剛度下焊接。7 焊接工藝改進及試驗7.1 焊接方法我們原有的焊接方法為采用埋弧焊進行雙面焊，根據(jù)以上分析，現(xiàn)改為采用焊條電弧焊打底焊結(jié)合埋弧焊的方法進行焊接。7.2 坡口形式為了加大焊縫成形系數(shù)，減小熔合比，同時提高焊接效率，我們對坡口形式進行了如下改變：30mm-40mm板采用雙X形坡口，增大坡口角度，如圖3所示。41mm-50mm采取原有U-V形坡口，不過增大了U形坡口的根部半徑，減小了鈍邊厚度，并把U形

17、坡口放在了筒體外側(cè)，如圖4所示。圖3 雙X形坡口圖4 U-V形坡口7.3 焊接材料Q345R屬低合金高強鋼，中厚板抗拉強度在490MPa-630MPa之間，根據(jù)等強度原則，焊條電弧焊選用J507焊條，埋弧焊焊絲選用H10Mn2，我們原有工藝采用HJ431熔煉焊劑，但由于在焊接中厚板時坡口較深，脫渣性較差，焊后去渣打磨等工作導(dǎo)致焊接效率很低，所以改為采用SJ101燒結(jié)焊劑。SJ101焊劑具有引弧容易，電弧燃燒穩(wěn)定，脫渣性好等良好的焊接工藝性能。7.4 焊接工藝評定為驗證改進后焊接工藝能夠滿足Q345R鋼制壓力容器力學(xué)性能要求，根據(jù)NB/T47014-2011承壓設(shè)備焊接工藝評定我們選用厚38mm

18、 Q345R鋼板進行焊接工藝評定試驗，可覆蓋產(chǎn)品16mm-200mm厚Q345R的焊接。因坡口形式在承壓設(shè)備焊接工藝評定中為次要因素，為取樣方便，采用單邊V形坡口如圖5，焊接方法為坡口側(cè)焊條電弧焊打底，埋弧焊填充及蓋面，另一面碳弧氣刨清根后再采用焊條電弧焊焊妥。圖5單邊V形坡口7.4.1 焊接工藝參數(shù)預(yù)焊接工藝規(guī)程（pWPS）擬定焊接工藝參數(shù)見表1，試板焊前預(yù)熱50，焊后經(jīng)620±20消除應(yīng)力熱處理。表1 焊接工藝參數(shù)焊接層/道焊縫方法焊材直徑/mm焊接電流/A電弧電壓/V焊速/cm/min坡口側(cè)1/1焊條電弧焊3.2100-13022-248-12坡口側(cè)2/1焊條電弧焊4.0160

19、-18022-2810-15坡口側(cè)3n/1埋弧焊4.0550-65032-3645-50另一側(cè)1/1焊條電弧焊4.0160-18022-2810-15另一側(cè)2n/12焊條電弧焊4.0160-18022-2810-157.4.2 焊接工藝評定試驗結(jié)果（1）試板經(jīng)100%RT檢測，沒有缺陷。（2）室溫拉伸試驗，Rm1=560.86 MPa，Rm2=554.85 MPa，母材標(biāo)準(zhǔn)下限值為Rm=490 MPa。（3）室溫彎曲試驗，接頭側(cè)彎試件為165mm×38mm×10mm，彎心直徑40mm，彎曲角度180°，試驗結(jié)果合格。（4）沖擊試驗試件尺寸為55mm×10

20、mm×10mm，包含焊條電弧焊焊縫和埋弧焊焊縫，V形缺口，0下焊縫沖擊功分別為100J、110J、110J，熱影響區(qū)沖擊功分別為190J、178J、176J。以上各項性能指標(biāo)均符合NB/T47014-2011承壓設(shè)備焊接工藝評定的標(biāo)準(zhǔn)，因此該工藝評定合格，可用于編制焊接工藝指導(dǎo)書（WPS）或焊接作業(yè)指導(dǎo)書（WWI）用于產(chǎn)品焊接。8 產(chǎn)品焊接以我公司蓄熱器產(chǎn)品為例，筒體厚度為46mm，采用改進后的焊接工藝進行產(chǎn)品焊接，具體焊接過程如下：8.1 焊前準(zhǔn)備（1）焊前清除坡口及母材兩側(cè)20mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹、水、積渣和其他有害雜質(zhì)。（2）清除焊絲表面上的油脂和銹斑，焊絲不得有折彎。（3）

21、焊前J507焊條經(jīng)350-400烘焙12h后保溫，隨用隨取，SJ101焊劑經(jīng)300-350烘焙12h保溫，保持清潔，顆粒度均勻適宜。（4）縱縫兩端加100mm×100mm的引弧板和熄弧板，材質(zhì)和板厚與筒體相同，組對時注意對平對齊，間隙不宜過大，開與筒體縱縫相同坡口形式。8.2 焊前預(yù)熱將焊件坡口兩側(cè)各150-200mm范圍內(nèi)母材預(yù)熱到100，以降低焊后冷卻速度，減小淬硬傾向及焊接殘余應(yīng)力。8.3 縱環(huán)縫焊接（1）縱縫的焊接縱縫采用不對稱X形坡口，如圖6所示，筒體內(nèi)側(cè)采用焊條電弧焊打底，然后采用埋弧焊焊妥，筒體外側(cè)碳弧氣刨清根，用砂輪機清理根部，然后再采用埋弧焊焊妥。圖6 不對稱X形坡口（2）環(huán)縫的焊接環(huán)縫采用U-V形坡口，如圖7所示，筒體內(nèi)側(cè)V形坡口采取焊條電弧焊打底并焊妥，筒體外側(cè)采用埋弧焊焊滿U形坡口。圖7 U-V形坡口（3）焊接工藝參數(shù)參照表18.4 焊接過程中注意事項（1）坡口側(cè)采用焊條電弧焊，打底焊時先用3.2mm的焊條進行焊接，然后再用4.0mm的焊條焊接。（2）坡口側(cè)焊完后，另一側(cè)碳弧氣刨清根，應(yīng)注意清根后形狀的修整，對坡口凹凸不平處或形狀不規(guī)則處應(yīng)打磨修整至符合要求為止。（3）采用埋弧焊進行焊接，焊接時注意焊絲應(yīng)對準(zhǔn)坡口的中心，發(fā)生偏移及時調(diào)節(jié)，焊第一層時電