低合金钢大直径厚壁管焊接裂纹产生机理及防止.docVIP

低合金钢大直径厚壁管焊接裂纹产生机理及防止 摘要：在低合金耐热钢大直径厚壁管的焊接过程中，虽然选定了与母材相应的焊接材料、工艺方法、焊前预热及焊后热处理工艺参数，但稍有疏忽，焊后极易产生焊接裂纹。为提高焊接工艺质量及焊件运行中的使用寿命，必须了解裂纹类型，产生机理，并采取有效的防止措施。 关键词：低合金耐热钢；大直径厚壁管；裂纹；产生机理；防止措施 某电厂3#机组的主蒸汽管道、高温过热器系统的大直径厚壁管及管件在焊接过程中，发现了不同程度的裂纹，直接影响着焊接工程的质量。为提高焊接工艺质量及焊件在运行中的使用寿命，了解焊接裂纹产生机理，采取有效的防止措施，是焊接生产中急需解决的首要问题。 1．管子及管件、焊接材料及采用的焊接工艺参数（表1） 表1 管件名称 直径×壁厚 /mm 材料 预热温度 /℃ 热处理温度 /℃ 其他 主蒸汽母管 φ506×73 A335 P22 200 690~720 焊接方法：Ws打底+D盖面 焊接材料：焊丝ER905-G 焊条：E9015-B2 坡口：U型 炉二级减温器连接管 φ508×78.2 A182 F22 A235 WP22 250 680~710 高温过热出口联管与母管接口 φ545×78.2 φ506×72 A182 F22 A235 WP22 250 680~710 2．焊接裂纹形态、类型及产生机理 2．1焊接裂纹形态 在表1中的管子或管件，焊接时稍一不当极易产生裂纹，这种裂纹常以纵向的方式存在于氩弧焊打底焊缝的中间或熔合线处，有时也呈横向的方式不规则的分布于整个打底焊缝，严重时延伸到母材，更严重时，盖面后裂纹依然存在。现场处理此裂纹很麻烦，而且严重影响焊接质量及进度，这是现场焊接技术人员及焊工们的一大难题。 2．2所属类型 根据其发生的部位多在手工钨极氩弧焊打底层或电弧焊盖面的第一、二层，多发生在焊后较低的温度下，因此属于冷裂纹即延迟裂纹中比较常见的根部裂纹。该裂纹主要发生在使用氢含量较高的焊接材料，或在焊接时预热不足（或根本不预热）的情况下，与焊趾裂纹相似，起源于焊缝根部的最大应力集中处，可能发生在焊接热影响区也可能发生在焊缝内，主要取决于母材和焊缝的强度、塑性及根部坡口形状。 2．3根部裂纹产生的原因分析 钢材及焊接材料化学成分的影响 钢中碳和合金元素的共同作用，使钢的奥氏体稳定性增加，不易发生分解，而在冷到较低温度时才发生马氏体转变，因此，在该类钢焊接时，如果冷却速度较大则易形成淬硬组织，使焊接接头的脆性增大，在有较大的约束力时，常导致裂纹。通常采用由母材及焊接材料化学成分计算出的碳当量，来评定其焊接性经计算：母材的碳当量为0.868%，氩弧焊丝的为0.943%，焊条的为0.853%均大于0.6%。因此，无论是母材还是焊接材料，其淬硬倾向严重，焊接性比较差，焊接时需要采取较高的预热温度及严格的工艺措施，否则极易产生焊接冷裂纹。 ⑵氢的作用 氢是引起焊接时形成裂纹的重要因素之一，其形成过程如下： 焊缝金属二次结晶时要发生金属的相变，金属相变时，不仅氢的溶解度会发生急剧的变化，同时氢的扩散能力也会有很大的不同，实践表明，氢在奥氏体中的溶解度大，在铁素体中的溶解度小，当焊缝金属由奥氏体向铁素体转变时，氢的溶解度会突然降低，与此同时，氢的扩散速度在奥氏体向铁素体转变时突然增加。焊接时，焊缝金属的含碳量总是被控制低于母材，因此，焊缝在较高的温度就发生了相变，即由奥氏体分解为铁素体、珠光体、贝氏体等，此时，热影响区的金属未开始奥氏体的分解，当焊缝金属发生由奥氏体向铁素体组织转变时，氢的溶解度突然降低，同时，氢在铁素体、珠光体中的扩散速度比较大，因此，此时氢就很快的从焊缝穿过熔合区向尚未发生分解的奥氏体的热影响区扩散，而氢在奥氏体中的扩散速度较小，还来不及扩散到距离熔合区较远的母材方面去，因此在熔合区附近就形成了富氢地带。当滞后相变的热影响区发生奥氏体向马氏体转变时，氢便以饱和状态残存于马氏体中。如果热影响区存在一些微观缺陷，如显微杂质和微孔，氢便会在这些缺陷处发生聚集，并由原子状态转变为分子状态，形成较大的压力，促使这些原有微观缺陷的地方不断扩展，直至形成宏观的裂纹。热影响区中氢的浓度足够高时，能使热影响区的马氏体进一步脆化，就会形成焊道下裂纹，氢的浓度稍低时，仅在有应力集中的部位出现裂纹，容易形成根部裂纹。 ⑶大而厚的结构形式对焊接应力的影响 这些管子及管件均属于大直径厚壁管，结构刚性大，焊接过程极易产生相当大的焊接应力。因为焊接时加热至融化状态造成焊件上温度不均匀的分布，即在热源中心部分温度最高，离热源越远则温度越低。焊接时，熔池的平均温度都在2000℃以上，它被周围处于冷态的金属包围而受到约束，不能自由地伸长，因而产生相当大的内应力，加上结构刚性大，不能变形，易导致裂纹的产生。 焊缝金