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1、冷轧带钢连续退火过程中焊缝接头的断带分析42一宝钢技术1997年第1期冷轧带钢连续退火过程中焊缝接头的断带分析伍宜盎一高甲生莲旦皇,陈守群T(华东冶金学院)(冷轧厂)摘要考察了不同类型焊缝接头断带的断口特征,分析了连续退火过程中接头的力学行为,探讨1断带机理及降低接头断带率的措施.关键词连燮兰机理措施举Iq.研口一签AnalysisontheStripBreakingatWeldSeaminContinuousAnnealingofColdRolledStripHeYittGao,ashen(EastChinaMetallurgicalInstitute)HuangZ0”ChenShouqtm
2、(ColdRollingMillPlant)ABSTRACTBasedontheinvestigationoffracturecharacteristicsofstripbreakingatdifferenttypeofweldseams,themechanicalbehavioroftheseamduringcontinuousannealingisanalyzed,andboththemechanismofstripbreakingandtherelativemeasurestoreducetherateofstripbreakingatweldseamarediscussed.KeyWo
3、rdsContinuousannealingStripbreakingMechanismMeasuresl前言宝钢冷轧厂连续退火机组(cAPL)投产初期存在的主要问题是断带率较高.据断带事故记录分析发现,因焊接接头断带的次数超过总断带次数的50,因此,降低接头断带率是解决CAtSL机组断带事故的关键.本文对断带实物进行了断口分析,研究了接头在CAPL退火过程中的力学行为,探讨了断带机理,提出了降低焊缝断带率的措施.2焊接接头断口分析2.1宏观断口类型对CAPL机组断带实物进行取样分析,发现按断裂位置的不同,可将接头断带分为3种形式:(1)沿焊接缺陷撕裂.包括沿飞溅产生的裂纹及未焊台或熔合不足对
4、应的裂纹撕裂,见图1(a)何宜柱副教授华东冶金学院邮编243002(2)接头热影响区(HAz)正断.显微分析发现,断口处于细晶区,断口垂直于拉伸方向,为正断断口,见图1(b).(3)跨越接头斜向断裂.断口与焊缝约成45.角,见图1(c).(a)惜焊接裂垃撕裂b)HAZ正断(c)跨越接壬料向断裂.图1焊接接头断带位置示意困1997年第1期宝钢技术432.2微观断口分析图2为HAZ正断型断口微观组织.裂纹萌生于粗晶区,沿细晶区,纤维组织区扩展,见图2(a).扫描电镜(SEM)分析表明,是拉剪型裂纹的扩展造成接头断裂的,见图2(b).据此不难发现,HAZ正断型断带是跑偏等过载因素造成的.实际上,三种
5、断口具有一个共同的特征:不存在明显的塑性变形痕迹,即属于脆性断裂.(a)裂纹扩展建径(沿细晶区)250(b)拉剪型裂纹图2HAZ正断型断口的微观组织3接头的力学分析3.1无缺陷接头主要分析CAPL工艺条件下接头在生产线有关区段的安全系数.取典型材质CQ,DDQ级冲压钢为考察对象,对应的规格为两种极限状态,即0.5mmX900mm和2.0ramX1500mm.有关区段的温度值取CAPL机组技术规范的设定值上限,高温抗拉强度由热模拟实验确定.假设张应力不随板厚变化,安全系数计算结果见表1.表1CAPL机组炉内有关区段接头安全系数位置入口端均热段过时效段出口段由表1可见;(1)对于无缺陷的接头,在正
6、常的CAPL退火工艺条件下,安全系数较大,因而不会断带.(2)对于炉内不同的区段,安全系数各不相同,均热段虽小,并可推断加热室的后几个行程次之.从安全系数大小角度看,均热及加热段断带率最大(3)DDQ级的冲压钢在高温段安全系数较小;横截面积小的带钢,安全系数小3.2有焊接缺陷的接头接头力学性能试验研究表明,降低抗拉强度的主要焊接缺陷是飞溅及未焊合实际上,这两种焊接缺陷的产生将在接头贴合面上留下宏观裂纹有限元分析表明,裂纹的长度及其与板面夹角对力学性能有很大影响.J积分计算发现,裂纹越长,夹角越大,J积分值越大.对计算结果进行回归分析,得到了J积分与裂纹长度l(mm),外载张应力(MPa)问的关
7、系式:J一一0.3+1.23la(MPa?ram)(1)此式对应的夹角为45.若取临界J积分J一50(MPa?ram),并以44何宜柱等冷轧带钢连续退火过程中焊缝接头的断带分析d一.,作为断裂的判据,可估算出不同裂纹尺寸下的极限外载张应力(见表2).z增大,锻限外载张应力降低,安全系数减少,在正常的张应力作用下,有可能发生断带.表2接头裂纹长度对极限张应力的影响,MPa20313610281685141344接头断带机理及降低接头断带率措施的探讨4.1断带机理在以上对断口及力学分析的基础上,结合生产实际,发现以上3种不同类型断带的原因为:第一种,主要是接头质量欠佳,即由飞溅和熔合不足这两类焊接
8、缺陷造成的;第二种,是由于外载过大造成的,这时的张力已远高于正常设定的张力水平;第三种,是母材断带引起的.按断裂力学基本理论,当外载引起的某一断裂动力参数如J积分,大于材料本身固有的断裂阻力参数如J时,断裂将发生.当接头中存在飞溅或熔合不足等焊接缺陷时,J.值将降低,抗断性下降;若带钢在CAPL炉内跑偏,触及炉墙,或带钢产生热瓢曲,将明显地提高J积分值,当J>J时,带钢就断裂.4.2降低接头断带率的措施根据接头断带机理,要降低断带率,应着重从两个方面入手:提高裂纹断裂阻力;降低裂纹扩展动力.下面从焊接角度探讨降低接头断带率的措施.4.2.1防止接头缺陷产生缝焊接头缺陷指的是焊接缺陷和形位
9、缺陷.焊接缺陷包括飞溅及熔合不足或来熔合,两者严重恶化接头性能.形位缺陷见图3焊缝首尾宽度不同,将恶化接头性能与工作应力分布;接头两侧薄板宽度方向错位及中心线相交,既恶化接头受力状态,又易使带钢跑偏.显然,优化焊接工艺,是防止产生焊接缺陷的有效措旆.4.2.2改进接头质量检验方法即使采用优化的焊接工艺,也不能彻底避免接头中焊接缺陷的存在,所以生产实际中对每条焊缝均进行质量检查.目前采用的是”锤击法”,即用锤子敲击焊缝,若接头开裂,判定接头不合格切除重焊.(B)焊箍首尾竟窿不同b)焊麓宽度方向请位(c)焊链两蕾冲轧板中心魄相交图3缝焊接头开;位缺陷示意图锤击法存在着不可忽视的缺点,突出表现在:(
10、1)有损检验.锤击过程中,无裂纹的接头可能开裂,有裂纹的接头裂纹扩展,从而可能使本来合格的接头变成裂纹超标的不合格接头;(2)难以准确,彻底检测出焊接缺陷.因为锤击法是以锤击后焊接接头是否断裂或出现宏观裂纹为依据,处于焊缝下贴合面上的飞溅及未熔合裂纹,只要锤击中不充分扩展而断裂,是难以发现的;(3)适用钢种,规格有限.对于双相钢,结构钢等碳当量较高的钢种,冷轧后韧性低,锤击用力稍大,接头附近的母材就开裂.我们提出了一种新的焊缝质量检查法,即.飞溅判别法”.该方法是以焊接接头中是否出现”飞溅”及熔合不足这两类缺陷为判别依据.其优点:(1)无损检验;(2)准确,可靠,不但对焊接接头,而且可对焊接过
11、程进行检测,考察;(3)适用性广,不受钢种,规格的限制;(4)缩短了停机时间.5结论(I)焊接接头断带有3类:沿贴合面撕裂,热影响区正断及斜向断裂,分别主要由焊接缺陷,跑偏超载或热瓢曲及母材断带所引起.(2)断口分析表明,接头断带属脆性断裂.1997年第l期宝钢技术(3)力学分析表明,接头中焊接裂纹的长度及其与板面夹角的增大,将降低承载能力;在正常工作张力的作用下,无焊接缺陷的接头安全系数较大,不会发生断裂.(4)优化焊接工艺,改进焊接接头质检方法,(上接第2O页)因此能耗就特别大.(3)除尘效果好外排废气含尘浓度一,二期是100mg/m.(标态),三期干式除尘是50mg/m(标态).3炼焦三
12、电控制新技术三期炼焦三电成套控制装置(硬件)是从日本三菱电机株式会社引进的,焦耐院负责软件编制,其主要技术特点如下.(1)三电控制一体化一期工程中电气,仪表,计算机为分散配置,采用模拟盘单独操作,二期稍有改进三期三电控制实现一体化,全部信息在1台CRT上显示和操作,不仅取消了笨重庞大的模拟盘,操作台,而且实现了多窗口显示,全触摸快速应答功能.因此,设备少,占地少,投资省,省人省力,操作简便,快捷(2)焦炉炉温测定和控制自动化一期焦炉采用模拟仪表,炉温控制全靠人工操作,管理水平低.二期焦炉炉温控制水平有所提高,部分采用计算机控制,但最辛苦的炉温测量还要靠人工在炉顶用传统的光学高温计一个一个地防止
13、接头中产生焊接缺陷,是降低断带率的有效措施.编辑龚根生(收稿日期1996年8月22日)测量,烟熏火烤,环境十分恶劣.测好的炉温及人工测试的煤水分等再由人工输入计算机.由于炉温,炼焦煤水分不能及时输入,控制炉温的煤气量,空气量的改变往往滞后,因此,计算机的优越性受到了限制三期焦炉测炉温是在炉顶立火道埋设热电偶,并在上升管也设置热电偶,以此来测量立火道内的温度及炼焦火落温度这些温度测量都是自动进行,实行闭环控制,既减轻了工人的劳动强度(最后可达到取消测直行温度之目的),又由于计算机可及时控制进炉的煤气量及空气量,从而达到最大的节省能源之目的.(3)采用智能化的配电盘一,二期工程供配电采用单设电源监视盘,与PLC采用一对一连接,配电系统由常规器件组成.三期工程采用智能化的高,低压配电盘,从而取消监视盘,全部信息纳入三电一体化(EIC)综合控制装置,配电装置上配置了智能化的多功能控制器(EMC)和信号传送装置(CDL)增设这些装置减少了设备故障发生率,减少了维修工作量,对生产带来许多好处.编辑邓炳炀(收稿日期1998年8月5日)