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1、复合板焊接裂纹分析及防治随着压力容器行业标准及复合钢板锻造技术的日渐完善，越来越多的设计部门选用复合板做为压力容器的主体材料，14 年本公司承制了一台主体材料（S32168+Q245R，）厚度（14+3）、（16+3） 、（18+3）、（26+3）、（32+3）， DN260022001800的大型变径压力容器。本公司根据合格的焊接工艺评定指导生产，但实际生产中一次拍片合格率为仅75%，主要缺陷为筒体环焊缝近不锈钢侧表面裂纹，经过分析及现场观察，提出相应措施，解决了复合板裂纹问题，一次拍片率合格率达到95%。一（S32168+Q245R）复合板焊接性分析此复合板为奥氏体系复合板，焊接性良好，焊
2、接时，覆层和基层分开各自进行焊接，焊接中的主要问题在于基层与覆层交接处的过渡层焊接，过渡层的焊接性与异种钢对接接头焊接性相同，但又有本质区别，复合板过渡层焊接，实质是一个堆焊过程，堆焊焊道可简单的理解为对接接头的熔合区和热影响区，堆焊更能反应熔合区及热影响区的薄弱，过渡层焊接时主要存在以下几个问题：1 结晶裂纹焊接金属在凝固结晶末期，在固相线Ts附近，因晶间残存液膜使塑性下降所造成的热裂纹，影响因素主要有：1）碳的影响：焊接奥氏体复合钢板时，由于基础碳钢板的含碳量高于覆层，焊接时覆层受基础稀释作用，使焊缝中奥氏体形成元素减少，含碳量增加，碳在钢中是影响结晶裂纹的主要因素，并能加剧S/P及其他元
3、素的有害作用。2） S/P元素的影响：奥氏体钢结晶温度区间很大，熔池结晶时在晶界上形成S/P/Si等低熔点共晶，在结晶过程中形成液态薄膜，这种液态薄膜在复合板焊接时产生的拉伸应力作用下易产生裂纹。3）结晶引领相的影响：随着含碳量的增加，结晶出生相将由 相变为 相， 相和 相对硫磷的偏析影响与硫磷的溶解度有关系，如表1，说明 相只能溶解吸收较少的硫和磷，而增加了偏析，当温度降低至1200时， -Fe只能溶解质量分数为0.035%的 S，超过溶解度的硫将析出而形成 -Fe与 FeS的共晶（共晶温度为988）。因而在基体冷却到1000时还可能存在残余液相。实际结晶温度区间势必增大，导致热裂纹倾向增大
4、。举一个不恰当的例子：比如在奥氏体不锈钢上堆碳钢，假设不发生熔合区脆化，根据熔池凝固外延结晶原理，晶粒成核多会以熔合线附近的 相 成核，熔池主要成分是焊接材料，碳元素会急剧增加，这样造成S/P偏析程度增大，很容易产生热裂纹；如果在碳钢上堆不锈钢，情况相反，出现热裂纹的几率将会减小。表 1 Fe-C合金中S、 P的最大溶解度（ 1350时）元素在 相中在 相中S0.18%0.05%P2.8%0.25%2 热影响区液化裂纹：复合板焊接时，奥氏体钢热影响区由于受焊接热循环影响，低熔点杂质被熔化，在焊接应力作用下产生液化裂纹。焊接时，热影响区受熔池金属的热膨胀作用产生压缩应力，当电弧移开后，随温度的降
5、低，压缩应力变成拉伸应力，热影响区晶间上存在的低熔点共晶的液态薄膜被拉开产生裂纹。3 熔合区脆化：焊接奥氏体系复合钢板时，熔合区脆化是主要焊接问题，应该特别注意，熔合区出现脆化的原因有如下几个：1）基层焊材的影响：焊接复合钢板基层时，由于热作用使覆层钢板熔化，合金元素渗入焊缝，借助图1 舍弗勒组织图来分析，当融合比为1%时，焊缝的主要组织为马氏体和少量铁素体。从舍弗勒焊缝组织图分析可知，用任何熔焊方法焊接基层时，如果基层焊材熔化覆层，那么将在熔合区附近狭小区域中，产生马氏体组织，使熔合区硬度和脆性增加，在拉伸应力作用下，产生裂纹。12)覆层焊材的影响：焊接覆层时，容易熔化基层碳钢板，使金属成分
6、稀释，如图 2 借助舍弗勒图来分析，当融合比高于27 时 %焊缝组织为奥氏体和马氏体，如控制在25%一下焊缝组织可得到奥氏体和少量铁素体。23) 碳迁移的影响：焊接时碳由低Cr的基层钢板向高Cr的不锈钢覆层焊缝金属扩散迁移，因此在基层和覆层的交界处形成高硬度的增碳层和低硬度的脱碳层，引起熔合区的脆化和软化。1 根据公司的人员素质及设备情况主要焊接工艺参数表1层 /道焊接 方法填充材料焊接电流电弧电压（V）焊接速cm/min线能量kJ/cm牌号直径mm极性电流（A）5-15-2424-11-2/1SAWH08MnA+HJ4314.0DCEP680-6853446 282反面 清根碳弧 气刨碳棒8
7、.0DCEP320-3400.6-0.8MPa14-16/13/1SAWH08MnA+HJ4314.0DCEP6853446 2834/1-2SMAWA3025.0ECEP1952415 18.75/1-2SMAWA1324.0DCEP1852414 192 焊接生产中主要缺陷按表 1 合格的工艺评定指导实际焊接生产，但焊接时出现裂纹，通过射线底片确定裂纹大致位置，渗透发现裂纹主要出现在覆层侧的近表面，分析如下：1）焊接时基层焊材熔化覆层：实际生产中，电网的波动及焊接设备的老化，造成埋弧焊焊机外特性与静特性波动过大，电流、 电压不稳定；车间追求生产效率，宁可多用埋弧焊少用焊条电弧焊。以上情况焊
8、接时覆层被熔化，但焊接过渡层时又不合理的销离剔除熔合区，造成马氏体组织融入过渡层焊缝，容易造成裂纹。2）焊接时没有彻底的隔离基层焊缝：复合板焊接时，过渡层没有彻底隔离基层焊缝及母材，焊接覆层时，覆层焊材熔化基层碳钢板，使金属成分稀释，根据图2 舍弗勒焊缝组织计算，融合比超过27%，焊缝组织奥氏体和少量马氏体，容易造成裂纹。3）焊道融合处选择有问题：复合板焊接时，基层焊接出现如图3 问题，选择焊道最低点作为检查点，没有注意实际融合位置；焊接过渡层出现如图4 问题，没有彻底隔离过渡层，以上问题造成1 2 所描述的裂纹。4）错变量问题：跟踪发现焊接裂纹主要出现在筒体环焊缝，筒体纵焊缝较少，检测筒体纵
9、焊缝错变量与筒体环焊缝错边量均值如表2，筒体环焊缝错变量过大，容易造成 3 所述问题。表2筒体纵焊缝筒体环焊缝0.5mm2mm3 解决办法1 ）调整焊接工艺：筒体环焊缝、变径环焊缝，基层焊接增加焊条电弧焊，增加 焊道控制，减少基层焊接时熔化到覆层。层 /道焊接 方法填充材料焊接电流电弧电压（V）焊接速cm/min线能量kJ/cm牌号直径mm极性电流（A）16-26-5-15-21-2/1SAWH08MnA+HJ4314.0DCEP660-67034-3642-46 283-13-13/1-2SMAWJ4274.0ECEP180-20026-2818-22 152反面 清根碳弧 气刨碳棒8.0D
10、CEP320-3400.6-0.8MPa14-16/143/1SAWH08MnA+HJ4314.0DCEP660-67034-3642-46 284/1-2SMAWA3024.0ECEP160-17024-2818-22 18.75/1-2SMAWA1324.0DCEP160-17024-2818-22 192） 销离剔除熔合区马氏体：基层焊接时，如熔化覆层，要求用砂轮剔除熔合区，减少焊缝马氏体组织。3）有效隔离基层及基层焊道：过渡层需要有效的隔离基层及基层焊道，防止焊接覆层时，覆层焊材直接接触基层及基层焊道，控制焊缝金属的马氏体含量。4）控制过渡层厚度：控制过渡层厚度为2mm 以上，防止焊接
11、覆层时，熔池搅拌接触基层及基层焊道。通过上述方案，另一台复合板塔器，排片总数为625张，裂纹 10 张、 气孔 5 张，一次拍片合格率为96%。三、结论复合板焊接无论采用什么焊接方法，焊接的关键问题均是合理地选择基层和过渡层的填充材料，为更有效的防止稀释和碳迁移的等问题，在基层与覆层之间加焊隔离层，因此隔离层用焊接材料也是非常重要的。选择焊接材料时可遵循以下原则：覆层用焊接材料应保证熔敷金属的主要合金元素不低于覆层母材标准规定的下限值。对于有防止晶间腐蚀要求的焊接接头，还应保证熔敷金属中有一定的Nb、Ti 等稳定元素。对于基层应保证焊接接头的抗拉强度不低于基层母材标准规定的抗拉强度下限值。为补充基层对覆层造成稀释，隔离层焊接材料宜选用25Cr-13Mo型或 25Cr-20Ni型，实际生产中应注意如下问题：1 销离剔除熔合区马氏体。2 有效隔离基层及基层焊道。3 控制过渡层厚度。4 控制错变量。5 变径及错变量过大的焊缝，应选择容易控制的焊条电弧焊焊接。