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            厚壁管焊道開裂原因分析及控制措施

            厚壁管焊后校圓焊道開裂的原因進行了分析,并提出相應的改進措施。結果表明,埋弧焊以后焊道存在結晶熱裂紋和魏氏體組織是導致厚壁管校圓開裂的主要原因。同時,焊絲合金元素含量偏低,熔合區晶粒度偏大使得焊道力學性能降低,是引起厚壁管焊道開裂的間接原因。對厚壁管從焊接工藝、坡口形式、焊絲選型、時效處理等方面進行相應改進,解決了厚壁管焊后校圓開裂問題。

            厚壁結構件在工程機械行業有著較為廣泛的應用,由于使用工況較為復雜、惡劣,對于結構件的薄弱環節焊縫質量提出了較高要求。受工藝條件限制和焊接熱輸入的影響,厚壁管在卷圓加工過程中開裂,不僅影響產品質量而且造成較大的經濟損失[2-4]。本文對厚壁管開裂的原因進行了分析,通過合理的工藝措施提升了焊縫質量。

            1焊接工藝及開裂情況

            母材為熱軋結構鋼,板材機加工成雙V型對稱坡口,坡口尺寸、形式如圖1所示,下端采用手工氣保焊焊接,上端采用埋弧自動焊焊接,其中埋弧焊工藝參數為焊接電流850A,焊接電壓39V,焊接速度300mm/min,焊劑為HJ431,焊絲直徑4mm,母材及焊絲成分見表1。

            焊接完成后,用四輥卷板機進行校圓,校圓過程中沿焊道縱向開裂。

            采用空心鉆在開裂位置進行取樣,對試樣線切割后,將其打磨拋光,其中上部Ⅰ區為埋弧焊接,下部Ⅱ區為手工氣保焊接,試樣外觀見圖2。

            2開裂組織及原因分析

            2.1裂紋產生原因

            根據裂紋在焊縫中出現的位置可判斷為結晶熱裂紋,原因在于熔池金屬熔化時形成的液態薄膜及凝固過程中受到的拉應力作用。金屬結晶學理論表明,先結晶的金屬雜質含量較多并在晶界位置富集,對于16Mn而言,雜質多形成低熔點的共晶體。焊縫金屬凝固的后期,在鑄態組織中兩側柱狀晶的推擠作用下,在中心部位形成所謂的“液態薄膜”,隨著熱源的離開,液態薄膜最終冷卻形成低熔點共晶體組織,該區域屬于焊縫的薄弱地帶,與此同時焊縫兩側金屬逐漸凝固收縮,產生拉伸應力,在拉應力的作用下,這個薄弱地帶就有可能開裂而形成結晶裂紋。

            2.2母材及焊接熱影響區(HAZ)金相分析

            對母材、焊縫熔合區及開裂一側熱影響區(選取兩點)進行取樣,試樣經打磨拋光后通過4%硝酸酒精腐蝕,觀察微觀組織。

            3a)表明,母材為熱軋態組織,即鐵素體+珠光體,且帶狀組織明顯,母材組織良好;圖3b)為焊縫熔合區,為焊材凝固后形成的鑄態組織,即先共析的針狀或條束狀鐵素體+少量珠光體組織;圖3c)、(d)為熱影響區,其金相組織為過熱的魏氏體組織,即呈網狀或斷續網狀的鐵素體+向晶粒內部生長的針狀或條束狀鐵素體。魏氏體組織是因焊接時溫度過高使奧氏體晶粒粗大,在冷卻后出現的,魏氏體組織的出現使得材料的力學性能明顯下降。

            2.3焊道合金元素及晶粒度分析

            將試樣進行線切割,經打磨拋光測量元素分布、晶粒度大小,結果如表2、3所示。

            從表2可知,焊縫組織晶粒細小,整體晶粒度等級較高;開裂側熱影響區晶粒度2~3(176~125μm)較為粗大。造成這種現象的原因是焊接時母材溫度低而焊接區溫度高,且厚板冷卻速率較大,造成熱影響區組織粗大。

            從表3可知,焊縫熔合區的化學成分C、Mn、P(鋼中的主要強化元素)含量大體上介于Q195Q215鋼之間,其強度也介于兩者之間,焊縫合金元素含量明顯低于母材Q345鋼,說明所用焊絲的強度低于母材。

            3開裂控制措施

            根據以上分析,為防止厚壁管焊后校圓過程中再次開裂,采取以下措施:

            1)對厚壁管坡口位置進行預熱,預熱溫度應為150~170℃,焊接時避免在高溫區時間過長,并減緩焊后冷卻速率。

            2)采用與母材強度相匹配的焊絲,并在焊后校圓之前進行振動時效處理,以消除焊接殘余應力。

            4結論

            埋弧焊以后焊道存在結晶熱裂紋和魏氏體組織是導致厚壁管校圓開裂的主要原因,同時,焊絲合金元素含量偏低,熔合區晶粒度偏大使得焊道力學性能降低,是引起厚壁管焊道開裂的間接原因。對厚壁管從焊接工藝、坡口形式、焊絲選型、時效處理等方面進行相應改進,解決了厚壁管焊后校圓開裂問題。

            文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|不銹鋼換熱管

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