论文部分内容阅读
摘 要 本文通过管道连头的实例来分析根焊出现裂纹缺陷的原因，具体论述了修复焊接工艺参数设计和焊接工艺要点。
关键词 管道连头 焊根裂纹 裂纹分析 裂纹修复工艺
中图分类号：TG21+3
0前言
随着管道建设在我国的快速发展，各种新型、高效、优质的焊接方法被不断地运用到管道焊接中，但在大多数的管道连头施工中，手工焊还是有着不可取代的作用。管道连头的特点主要是：1.焊口组对困难，2.存在较大拘束应力，3.焊接操作容易受限，4.作业环境不佳等，很难满足半自动等机械化操作的要求。采用J507焊条打底焊由于工艺性能好、焊接速度快、焊缝质量好，适用于20号钢管道连头施工中，是复杂条件下管道连头时采用较多的手工打底焊方法。但是有时也会出现致命的裂纹缺陷，如不能很好的掌握方法和工艺措施修复起来会较困难，甚至不能一次修复成功。
1裂纹情况介绍
某注水站进行增注改造，新增三台大功率注水泵机组及配套的工艺管线，管径Ф89×13mm。最后要将新旧管线进出口完成汇管连头，在出口端有三道固定口。采用J507焊条打底焊接。在三条焊缝都完成根焊清根时发现焊缝底部出现了裂纹。
2 裂纹分析
2.1首先外观判断
裂纹是在根焊完成后清根过程中出现的，裂纹呈纵向分布位于焊缝上，起源于母材与焊缝的交界处，裂纹走向与焊道平行，由焊趾表面贯穿至焊缝深处，裂口处有金属光泽，微观上为穿晶形态。这些都符合对冷裂纹的特征，基本可以确定为冷裂纹。要想很好的修复裂纹找到其形成的主因是关键。
2.2裂纹产生的原因
大量的生产实践和理论研究证明，钢种的淬硬倾向、焊接接头扩散氢含量及其分布，以及焊接接头所承受的应力状态是产生焊接冷裂纹的三大主要因素。这三个因素在一定条件下是相互联系和相互促进的。
2.2.1、淬硬倾向的影响
焊接接头的淬硬倾向主要和钢的化学成分、焊接工艺、结构板厚及冷却条件有关，钢的淬硬倾向越大越易产生冷裂纹， 20#钢其化学成份见（表1），其特点是很少淬火，无回火脆性。冷变形塑性高，电弧焊和接触焊的焊接性能好，切削加工性、冷拔加工性好。根据其各合金元素含量，依根据美国焊接学会（AWS）推荐的碳当量公式：
Ceq=C+Mn/6 +Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+Cu/13+P/2 （%）
（当板厚小于20 mm，Ceq<0.40%时，钢材淬硬倾向不大，焊接性良好，不需预热。）分别计算得出20#钢的碳当量Ceq=0.342-0.440%。经分析可见这两种材料焊接时有少许淬硬倾向，必须采取适当预热措施淬硬倾向才会得到有效改善。因此材料因素对冷裂纹的产生有一定影响.
表1 20#钢管线材料化学成分
钢种 化学成分%
20 碳C 硅Si 锰Mn 硫S 磷 P 铬 Cr 镍Ni 铜Cu
0.17～0.21 0.17～0.37 0.35～0.65 ≤0.035 ≤0.035 ≤0.25 ≤0.30 ≤0.25
2.2.2、扩散氢的影响
焊接接头扩散氢含量越高，则裂纹的敏感性越大。焊接前该焊口已经过认真清理，清除了油污、水、铁锈等杂质，并进行了预热，J507焊条包装良好并未受潮不需要烘干，基本杜绝了大量氢的来源，因此焊接接头的扩散氢含量不是导致产生裂纹的主因。
2.2.3、 焊接应力的影响
一是外部应力，包括刚性约束条件、工作荷载等引起的应力.由于连头时组对困难使用了拘束度过大的方法，导致了较高的焊口拘束应力。二是焊接接头内部存在的应力，管线壁厚只有13mm，20#钢制三通壁厚达到了20mm差异较大，当天气温-2℃左右，虽然采取了焊前预热到120℃，但由于管线和三通壁厚有较大差异，致使焊接过程中散热不均造成两侧温度差异较大，产生了内应力。最终在清根过程中人为的减少了根焊金属的有效横截面积，根焊金属不能承受多种应力共同作用而形成了冷裂纹。
3 裂纹的修复焊接工艺设计
3.1、焊接顺序及参数的选择
为保证焊接质量要用3mm砂轮片彻底切开可见裂纹， 并向两端延伸多清理出30-50mm左右，目的是为了能彻底清除裂纹，两端修理成缓坡状便于起弧和收尾。打磨穿补焊极易形成新的裂纹，因此应采取分段打磨，分段焊接方法。
3.2、焊接工艺要点
3.2.1、为减小拘束应力 为尽力减小焊接应力（热应力和相变应力）和淬硬倾向，预热也要控制好，要在坡口两边沿各30-60mm范围内预热到100℃.由于三通壁厚大于管线壁厚，在三通侧预热时间适当要长一点.目的就是使三通一侧拥有更多的热量储备，达到两端温度均衡，尽量减小焊接过程中焊缝两侧的温度差。
3.2.2、为了保证打底的成型和不产生新的缺陷，得到能够克服拘束应力的焊缝，最直接的办法就是增加焊缝的有效截面积。运条中必须压缩电弧，铁水需往熔池背面送，才能保证根部不内凹。以获得较大的焊缝截面积。
3.2.3、合理安排焊接顺序和回火焊道的使用均可以有效改善焊缝的应力状态和组织状况，在Ⅰ段打底之后，焊道厚度还不够，强度也不够，必须用J507在该处填充1-2遍之后，再进行Ⅱ、Ⅲ段的打磨焊接。在裂纹还没有出现前我们已增加了焊缝金属有效横截面积，同时也是对前一层焊缝进行了一次紧急后热，即有利于扩散氢的逸出又改善了焊缝金属的组织性能，提高了焊缝的抗裂性从而达到修复裂纹的目的。
3.3、根焊裂纹修补完成后即可进行正常的填充和盖面焊接，填充和盖面都采用J507碱性低氢型焊条焊接，同时应特别注意层间温度，坡口两侧温度要均匀，且不低于100℃。
4結 束 语
通过采用以上拟定的工艺措施完成的焊缝经超声波探伤一次合格，裂纹修复成功. 证明这种返修工艺方法在管道连头时根焊出现裂纹缺陷且返修长度较长时是行之有效的.
参考文献：
焊接工程缺欠分析与对策 机械工业出版社 陈伯蠡著 2006年
现代焊接生产实用手册 机械工业出版社 陈裕川著 2005年1月
关键词 管道连头 焊根裂纹 裂纹分析 裂纹修复工艺
中图分类号：TG21+3
0前言
随着管道建设在我国的快速发展，各种新型、高效、优质的焊接方法被不断地运用到管道焊接中，但在大多数的管道连头施工中，手工焊还是有着不可取代的作用。管道连头的特点主要是：1.焊口组对困难，2.存在较大拘束应力，3.焊接操作容易受限，4.作业环境不佳等，很难满足半自动等机械化操作的要求。采用J507焊条打底焊由于工艺性能好、焊接速度快、焊缝质量好，适用于20号钢管道连头施工中，是复杂条件下管道连头时采用较多的手工打底焊方法。但是有时也会出现致命的裂纹缺陷，如不能很好的掌握方法和工艺措施修复起来会较困难，甚至不能一次修复成功。
1裂纹情况介绍
某注水站进行增注改造，新增三台大功率注水泵机组及配套的工艺管线，管径Ф89×13mm。最后要将新旧管线进出口完成汇管连头，在出口端有三道固定口。采用J507焊条打底焊接。在三条焊缝都完成根焊清根时发现焊缝底部出现了裂纹。
2 裂纹分析
2.1首先外观判断
裂纹是在根焊完成后清根过程中出现的，裂纹呈纵向分布位于焊缝上，起源于母材与焊缝的交界处，裂纹走向与焊道平行，由焊趾表面贯穿至焊缝深处，裂口处有金属光泽，微观上为穿晶形态。这些都符合对冷裂纹的特征，基本可以确定为冷裂纹。要想很好的修复裂纹找到其形成的主因是关键。
2.2裂纹产生的原因
大量的生产实践和理论研究证明，钢种的淬硬倾向、焊接接头扩散氢含量及其分布，以及焊接接头所承受的应力状态是产生焊接冷裂纹的三大主要因素。这三个因素在一定条件下是相互联系和相互促进的。
2.2.1、淬硬倾向的影响
焊接接头的淬硬倾向主要和钢的化学成分、焊接工艺、结构板厚及冷却条件有关，钢的淬硬倾向越大越易产生冷裂纹， 20#钢其化学成份见（表1），其特点是很少淬火，无回火脆性。冷变形塑性高，电弧焊和接触焊的焊接性能好，切削加工性、冷拔加工性好。根据其各合金元素含量，依根据美国焊接学会（AWS）推荐的碳当量公式：
Ceq=C+Mn/6 +Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+Cu/13+P/2 （%）
（当板厚小于20 mm，Ceq<0.40%时，钢材淬硬倾向不大，焊接性良好，不需预热。）分别计算得出20#钢的碳当量Ceq=0.342-0.440%。经分析可见这两种材料焊接时有少许淬硬倾向，必须采取适当预热措施淬硬倾向才会得到有效改善。因此材料因素对冷裂纹的产生有一定影响.
表1 20#钢管线材料化学成分
钢种 化学成分%
20 碳C 硅Si 锰Mn 硫S 磷 P 铬 Cr 镍Ni 铜Cu
0.17～0.21 0.17～0.37 0.35～0.65 ≤0.035 ≤0.035 ≤0.25 ≤0.30 ≤0.25
2.2.2、扩散氢的影响
焊接接头扩散氢含量越高，则裂纹的敏感性越大。焊接前该焊口已经过认真清理，清除了油污、水、铁锈等杂质，并进行了预热，J507焊条包装良好并未受潮不需要烘干，基本杜绝了大量氢的来源，因此焊接接头的扩散氢含量不是导致产生裂纹的主因。
2.2.3、 焊接应力的影响
一是外部应力，包括刚性约束条件、工作荷载等引起的应力.由于连头时组对困难使用了拘束度过大的方法，导致了较高的焊口拘束应力。二是焊接接头内部存在的应力，管线壁厚只有13mm，20#钢制三通壁厚达到了20mm差异较大，当天气温-2℃左右，虽然采取了焊前预热到120℃，但由于管线和三通壁厚有较大差异，致使焊接过程中散热不均造成两侧温度差异较大，产生了内应力。最终在清根过程中人为的减少了根焊金属的有效横截面积，根焊金属不能承受多种应力共同作用而形成了冷裂纹。
3 裂纹的修复焊接工艺设计
3.1、焊接顺序及参数的选择
为保证焊接质量要用3mm砂轮片彻底切开可见裂纹， 并向两端延伸多清理出30-50mm左右，目的是为了能彻底清除裂纹，两端修理成缓坡状便于起弧和收尾。打磨穿补焊极易形成新的裂纹，因此应采取分段打磨，分段焊接方法。
3.2、焊接工艺要点
3.2.1、为减小拘束应力 为尽力减小焊接应力（热应力和相变应力）和淬硬倾向，预热也要控制好，要在坡口两边沿各30-60mm范围内预热到100℃.由于三通壁厚大于管线壁厚，在三通侧预热时间适当要长一点.目的就是使三通一侧拥有更多的热量储备，达到两端温度均衡，尽量减小焊接过程中焊缝两侧的温度差。
3.2.2、为了保证打底的成型和不产生新的缺陷，得到能够克服拘束应力的焊缝，最直接的办法就是增加焊缝的有效截面积。运条中必须压缩电弧，铁水需往熔池背面送，才能保证根部不内凹。以获得较大的焊缝截面积。
3.2.3、合理安排焊接顺序和回火焊道的使用均可以有效改善焊缝的应力状态和组织状况，在Ⅰ段打底之后，焊道厚度还不够，强度也不够，必须用J507在该处填充1-2遍之后，再进行Ⅱ、Ⅲ段的打磨焊接。在裂纹还没有出现前我们已增加了焊缝金属有效横截面积，同时也是对前一层焊缝进行了一次紧急后热，即有利于扩散氢的逸出又改善了焊缝金属的组织性能，提高了焊缝的抗裂性从而达到修复裂纹的目的。
3.3、根焊裂纹修补完成后即可进行正常的填充和盖面焊接，填充和盖面都采用J507碱性低氢型焊条焊接，同时应特别注意层间温度，坡口两侧温度要均匀，且不低于100℃。
4結 束 语
通过采用以上拟定的工艺措施完成的焊缝经超声波探伤一次合格，裂纹修复成功. 证明这种返修工艺方法在管道连头时根焊出现裂纹缺陷且返修长度较长时是行之有效的.
参考文献：
焊接工程缺欠分析与对策 机械工业出版社 陈伯蠡著 2006年
现代焊接生产实用手册 机械工业出版社 陈裕川著 2005年1月