浅析焊接裂纹与返修技术的探讨

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  摘 要:钢结构件的焊接失效,往往是在设备使用过程中出现,一台设备中任意一个结构部件发生焊接失效开裂,都会影响整台设备的正常运转,给企业造成不可估量的损失。本文通过整理近年来样本,归纳分析了失效原因,裂纹产生机理、位置分布,通过分析钢材焊接特性。通过试验确定适当焊接工艺确保焊接接头质量,提出焊接工艺要求和施工流程,有效防止了裂纹,为施工现场提供了技术支持。
  关键词:焊接缺陷;力学性能;返修补焊
  1 导致焊接失效的原因
  通常意义上讲,焊接失效就是焊接接头由于各种因素,在一定条件下断裂(如:应力、温度、材质、焊接质量和实际使用工况条件等)。接头一旦失效,就会使相互紧密联系成一体的构件局部分离、撕裂并扩展,造成焊接结构损坏,致使设备停机,影响正常生产。焊接失效的基本条件:一是焊接结构设计不合理,如在局部或整体焊缝的布置与设计上存在问题;二是材料本身的缺陷,如板材化学成分偏析,铸钢件的组织存在缩松、气孔、裂纹等;三是焊接工艺的应用不合理,如焊接材料的选择、焊接方法的制定;四是构件所处的工作环境、工况条件差(如受到交变及冲击载荷),引起结构材料疲劳破坏。
  2 焊接裂纹的影响因素
  2.1 冶金方面的影响因素。
  硫和磷是钢中最有害的元素。能在钢中形成多种低熔点共晶,在结晶过程中极易形成液态共晶薄膜,使脆性温度区间的塑性大为下降。同时,硫、磷又非常容易偏析。碳在钢中也是影响热裂纹,尤其是结晶裂纹的主要因素。焊缝组织一次结晶形态。在一次结晶的晶粒度越大,结晶方向性也越强,也就越容易促使杂质偏析,越容易在固液阶段形成连续的液态共晶薄膜,增加结晶裂纹倾向。
  2.2 焊接工艺影响
  工艺条件包括焊接方法、焊接热输入、预热或环境温度、焊接顺序等。它们对焊接接头冷却时的应变增长率、焊缝的化学成分和偏析情况带来多方面的影响,这些直接影响到焊缝的热裂纹倾向。焊接前,需要预热和后热,对焊条进行一定温度的烘烤和恒温,焊接时控制好焊接线能量。如果焊工集中向上焊,容易将应力集中在罐体上部环裂缝,采取分段退焊可分散组对和焊接应力。良好的焊接顺序和焊接速度控制确保容器拘束应力均匀分布,减少应力集中和产生裂纹。
  3裂纹的分布形式
  定期检测发现,裂纹多数出现在焊接接头位置,可以细分为:纵向焊接接头、柱脚焊接接头、极板拼接接头、环向焊接接头和接管焊接接头等。其中以环向焊接接头和柱腿焊接接头所占比例最高,分别占51.05%和35.27%,纵向焊接接头占6.84%,极板焊接接头占2.63%,裂纹的长度以20mm以内的小裂纹为主,占总数的72.64%,21-50mm的裂纹占16.84%,50mm以上的裂纹比例很小。不同的裂纹根据埋藏位置、自身高度以及安全程度等不同,决定补焊等返修工作。有的表面或浅表面裂纹可以通过打磨消除,有的则需要按照《压力容器定期检验规则》,进行补焊返修,根据样本统计结果,95处裂纹中有37处需要返修,占总数的40%,其中环向焊接接头的裂纹数17处,占总数的18.4%,对裂纹返修率及裂纹的危险性的比较发现,容器裂纹中以柱腿角焊裂纹、内表面、环缝裂纹和接管角焊缝的返修率最高,20mm以内裂纹基本不用返修,返修率与裂纹尺寸呈正比关系。
  4 焊接工艺
  (1)检查设备及辅助工具状态良好。焊接前必须清理坡口周围20mm内的油、铁锈等污物,打磨出金属光泽为准。
  (2)焊接时应采用分段退焊和多层多道的焊接工艺。球壳板定位焊时任何情况下焊缝长度≥50mm,定位焊间隔在400mm。焊接分为立焊、横焊和平仰焊。为避免焊缝金属过热区的粗晶形成,确保容器钢材的低温冲击韧性,防止裂纹的产生,采取电加热片均匀加热,预热温度控制在100~150℃范围内,在坡口两侧预热半径150mm,焊接层间温度高于预热温度且最高值≤200℃。
  (3)球体焊接顺序。每条纵缝配置一名焊工同时焊接,如焊工人数不够,间隔布置分两次完成。环缝焊接按焊工人数均匀分段,注意反面用碳弧气刨清根,层间焊接接头必须错开,用砂轮机磨除渗碳层。
  5 焊缝返修工艺要求
  (1)焊缝的返修应由合格的焊工担任。返修工艺措施应得到焊接技术负责人的同意。 压力容器上同一部位的返修次数不应超过2次。对经过2次返修仍不合格的焊缝,如再进行返修,应经制造单位技术负责人批准。返修的次数、部位和无损探伤结果等,应记入压力容器质量证明书中。锅炉同一位置上的返修不得超过3次。
  (2)要求焊后热处理的锅炉、压力容器,应在热处理前返修;如在热处理后返修,返修后应再做热处理。
  (3)有抗晶间腐蚀要求的奥氏体不锈钢制压力容器,返修部位仍需保证原有要求。
  (4)压力试验后,一般不应进行焊缝返修。确需返修的,返修部位必须按原要求经无损探伤检验合格。由于焊缝或接管泄漏而进行的返修,或返修深度大于1/2壁厚的压力容器,还应重新作压力试验。 焊縫多次返修,即使是无损探伤、力学性能试验和金相检验都未发现异常,但仍然对焊接接头质量有不良的影响。首先,由于焊接次数的增加,焊缝金属中溶解的氢气向过热区扩散量必然增加,成为产生热影响区冷裂纹、延迟裂纹的隐患;其次是过热区的晶粒因多次过热而长得更大,造成组织不均匀和力学性能下降。因此焊缝返修前应先找出产生缺陷的原因,制订可行的返修方案 ,才能进行返修。
  6 结论
  总的来说,焊接裂纹返修时应注意工艺规范,采取适当的工艺措施是可以获得很好的返修效果。
  参考文献:
  [1]陈增生.SMC/SMD 的手工焊接工艺技术[J]. 电子工艺技术,2009 ,30(5 ) .
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