壓力容器中厚板筒體焊接結(jié)晶裂紋分析與工藝改進(jìn)

畢業(yè)論文壓力容器中厚板筒體焊接結(jié)晶裂紋分析與工藝改進(jìn)摘要分析了壓力容器中厚板筒體在焊接中出現(xiàn)的結(jié)晶裂紋，并具體分析了筒體縱環(huán)縫產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的原因。針對(duì)上述問(wèn)題，提出了以焊條電弧焊打底，結(jié)合埋弧焊的焊接方法，并從坡口的選擇、焊材的選擇、焊接操作等方面出發(fā)，制定了可行的焊接工藝，保證了壓力容器中厚板筒體焊接接頭的質(zhì)量。關(guān)鍵詞：中厚板；結(jié)晶裂紋；筒體縱縫；筒體環(huán)縫；焊接工藝AbstractAnalyzethecrystalcracksappearedinthethickerplateofpressurevessel,andanalyzespecificallythereasonofthecrystalcracksthatappearedinthelongitudinalandcircumferentialjointsincylindricalshell.Accordingwiththeabovequestions,toproposetheweldingofthefirstlayeruseSMAW,thenuseSAW,andfromthechoiceofgroove,weldingmaterialselection,weldingofoperationetc.Makeafeasibleweldingprocess.Ensurethequalityofweldingjointsinthethickerplateofpressurevessel.Keywords:thickerplate;crystalcracks;longitudinaljoints;circumferentialjoints;weldingprocess目錄0前言 51結(jié)晶裂紋 52結(jié)晶裂紋形成機(jī)理 53結(jié)晶裂紋形成的影響因素 63.1合金元素對(duì)結(jié)晶裂紋的影響 63.2工藝因素對(duì)結(jié)晶裂紋的影響 63.3應(yīng)力因素對(duì)結(jié)晶裂紋的影響 74筒體縱縫形成結(jié)晶裂紋的原因分析 75筒體環(huán)縫形成結(jié)晶裂紋的原因分析 76防止結(jié)晶裂紋產(chǎn)生的措施 86.1控制焊縫中有害雜質(zhì)的含量 86.2控制焊縫的截面形狀 86.3改變焊接接頭的坡口形式 86.4改變根部焊道的焊接方法 96.5降低焊接拉應(yīng)力 97焊接工藝改進(jìn)及試驗(yàn) 97.1焊接方法 97.2坡口形式 97.3焊接材料 107.4焊接工藝評(píng)定 108產(chǎn)品焊接 118.1焊前準(zhǔn)備 118.2焊前預(yù)熱 128.3縱環(huán)縫焊接 128.4焊接過(guò)程中注意事項(xiàng) 138.5焊后熱處理 138.6焊接檢驗(yàn)及結(jié)果 13結(jié)論 14參考文獻(xiàn) 15致謝 16壓力容器中厚板筒體焊接結(jié)晶裂紋分析與工藝改進(jìn)0前言我廠制作的蓄熱器，主體材料為Q345R，厚度從30mm~50mm不等，屬于中厚板焊接，采用埋弧焊能提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本。但我公司采用雙面埋弧焊焊接時(shí)，在筒體縱縫的端部和環(huán)縫的焊縫根部發(fā)現(xiàn)了沿焊縫結(jié)晶面中心線形成的縱向裂紋，屬于典型的結(jié)晶裂紋。采用焊條電弧焊返修后，經(jīng)無(wú)損檢測(cè)沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，但返修影響了生產(chǎn)工期，提高了焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本，因此，研究Q345R中厚板焊接中出現(xiàn)的結(jié)晶裂紋及防止措施，改進(jìn)焊接工藝，具有重要意義。1結(jié)晶裂紋結(jié)晶裂紋是焊縫結(jié)晶過(guò)程中，在固相線附近，由于凝固金屬的收縮，殘余液態(tài)金屬不足而不能及時(shí)填充，在應(yīng)力作用下發(fā)生沿晶開裂。結(jié)晶裂紋最常見的是沿焊縫中心的縱向裂紋。結(jié)晶裂紋主要產(chǎn)生在含雜質(zhì)較多的碳鋼、低合金鋼焊縫中和單相奧氏體鋼、鎳基合金以及某些鋁合金的焊縫中，有時(shí)也會(huì)在熱影響區(qū)產(chǎn)生。2結(jié)晶裂紋形成機(jī)理焊縫金屬的結(jié)晶裂紋與初生結(jié)晶過(guò)程密切相關(guān)，當(dāng)焊接電弧建立后，焊接材料和母材同時(shí)熔化而形成焊接熔池，并在電弧熱的作用下被加熱到相當(dāng)高的溫度，熔池金屬受熱膨脹，作為熔池底部的母材不能自由伸縮，故高溫液態(tài)熔池受到一定壓應(yīng)力的作用。隨著焊接熱源向前移動(dòng)，焊接熔池開始逐漸冷卻，并以半熔化狀態(tài)的母材為晶核開始初次結(jié)晶。按金屬學(xué)原理，最先結(jié)晶的是純度較高的合金，最后凝固的是低熔點(diǎn)共晶體，其數(shù)量取決于焊縫金屬中C、S、P和其他可能形成共晶體的合金元素的含量。當(dāng)母材或焊接材料中雜質(zhì)含量較高，焊縫金屬中低熔點(diǎn)共晶體的數(shù)量較多，初生結(jié)晶的偏析程度加大，并在初生晶體之間形成連續(xù)的低熔點(diǎn)液膜，焊接熔池隨著冷卻而受到收縮應(yīng)力作用時(shí)，被液膜分隔的晶體邊界就會(huì)被拉開而形成裂紋。不是所有存在低熔共晶體的焊縫金屬都會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，結(jié)晶裂紋的形成還與其他一些因素有關(guān)。首先應(yīng)考慮到正在結(jié)晶的焊縫金屬所經(jīng)受的應(yīng)變速率與低熔點(diǎn)共晶體凝固速度之間的關(guān)系，如果在某種條件下，焊縫金屬的應(yīng)變速率高于低熔點(diǎn)共晶體的凝固速度，則就提高了裂紋形成機(jī)率，反之則明顯減少裂紋的可能性；其次是焊接熔池金屬初生晶體的長(zhǎng)大方向與殘留低熔共晶體的相對(duì)位置，當(dāng)?shù)腿酃簿w被夾在正在長(zhǎng)大的柱狀晶體之間，或者處于從兩面相對(duì)增長(zhǎng)的晶面之間時(shí)，焊縫金屬在結(jié)晶過(guò)程中容易被焊接收縮應(yīng)力拉開而形成裂紋，當(dāng)?shù)腿酃簿w被長(zhǎng)大的晶體推向熔池表面，沒有在柱狀晶體之間時(shí)，不易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。由此可見，焊縫結(jié)晶裂紋的形成必須同時(shí)具備下列三個(gè)條件（1）在焊接熔池金屬中必須存在一定數(shù)量的低熔共晶體，這主要取決于母材和焊接材料中的雜質(zhì)和易形成低熔共晶體的合金成分含量以及熔池的過(guò)熱程度；（2）焊接熔池的形狀和結(jié)晶方式可使低熔共晶體封閉在柱狀晶體之間；（3）焊縫金屬在結(jié)晶過(guò)程中經(jīng)受相當(dāng)速率的應(yīng)變，而應(yīng)變速率的大小由熔池的體積、焊件形狀、接頭形式和壁厚所決定。3結(jié)晶裂紋形成的影響因素3.1合金元素對(duì)結(jié)晶裂紋的影響（1）硫、磷：在鋼中是增大結(jié)晶裂紋傾向的元素。它使合金的結(jié)晶溫度區(qū)間增大，硫和磷是鋼中極易偏析的元素，易在晶界形成多種低熔點(diǎn)共晶。（2）碳：在鋼中是影響結(jié)晶裂紋的主要元素，并能加劇其他元素（如硫、磷等）的有害作用。（3）錳：具有脫硫作用，能置換FeS為MnS，同時(shí)也能改善硫化物的分布形態(tài)，使薄膜狀FeS改變?yōu)榍驙罘植?，從而提高了焊縫金屬的抗裂性。（4）硅：少量的硅可消除結(jié)晶裂紋，因它是形成δ相的元素。但當(dāng)硅含量超過(guò)0.4%時(shí)，容易形成低熔點(diǎn)的硅酸鹽夾雜，降低焊縫力學(xué)性能，并增加裂紋傾向。3.2工藝因素對(duì)結(jié)晶裂紋的影響（1）焊接線能量：焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的晶粒大小與線能量有著密切關(guān)系，晶內(nèi)的偏析程度也與線能量存在一定關(guān)系，一般來(lái)講，晶內(nèi)的偏析程度與線能量成正比，即線能量越大，偏析程度越嚴(yán)重，在晶界處，易產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶體。另外，隨著線能量的增加，會(huì)使熱影響區(qū)粗晶區(qū)的晶粒過(guò)于粗大，降低了材料的晶界強(qiáng)度和塑性，從而增大了材料對(duì)熱裂紋的敏感性。（2）工件的坡口形式：采用埋弧焊進(jìn)行多層焊時(shí)，坡口加工角度過(guò)小或清根造成打底層焊道的坡口角度過(guò)小，導(dǎo)致熔合比增大，使焊道熔池金屬高度稀釋形成熔池金屬C、S、P含量增加，而Mn含量減少。另外，根部焊道的焊縫形狀系數(shù)也將減小，當(dāng)焊縫形狀系數(shù)小于1時(shí)，加劇了熔池金屬結(jié)晶過(guò)程中晶粒朝熔池中心的生長(zhǎng)，使得焊縫中心線的雜質(zhì)濃度增大，凝固后在焊縫中心線附近出現(xiàn)偏析，從而產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。3.3應(yīng)力因素對(duì)結(jié)晶裂紋的影響對(duì)于中厚板來(lái)說(shuō)，由于三向應(yīng)力的存在，鋼板厚度越大，則剛度越大，焊后產(chǎn)生變形引起的焊接應(yīng)力也越大。壓力容器筒體卷制和組裝過(guò)程中造成的外應(yīng)力，將在焊縫的焊接過(guò)程中產(chǎn)生較大的拘束應(yīng)力。這些應(yīng)力增大了結(jié)晶裂紋產(chǎn)生的傾向。4筒體縱縫形成結(jié)晶裂紋的原因分析筒體縱縫形成的結(jié)晶裂紋主要在焊縫的終端，有時(shí)為距離終端附近150mm范圍內(nèi)。由于埋弧焊所采用的焊接熱輸入量往往比其他焊接方法要大的多，加上引弧板和熄弧板尺寸較小，與筒體之間只靠定位焊連接，終端焊縫部位的傳熱條件較差，致使該部位局部溫度升高，熔池形狀發(fā)生變化，熔深變大，焊縫形狀系數(shù)較小，容易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。另外，對(duì)于開坡口的中厚板來(lái)說(shuō)，焊縫的橫向收縮量遠(yuǎn)比間隙的張開量要小，使終端部分的橫向拉伸應(yīng)力比其他焊接方法要大，增加了結(jié)晶裂紋產(chǎn)生的傾向。5筒體環(huán)縫形成結(jié)晶裂紋的原因分析我公司厚度30mm-40mm板的筒體環(huán)縫主要開如圖1所示單面V形坡口，厚度41mm-50mm板的環(huán)縫主要開如圖2所示U-V形坡口，采用雙面埋弧焊。形成的結(jié)晶裂紋主要在坡口側(cè)根部焊道的第一道焊縫中心和背面清根后第一道焊縫中心。從工藝因素對(duì)結(jié)晶裂紋的影響可知，筒體內(nèi)側(cè)坡口角度過(guò)小，鈍邊較大，以及背面碳弧氣刨清根深度不均，坡口角度過(guò)小，導(dǎo)致熔合比過(guò)大，加上埋弧焊焊接的熱輸入過(guò)大，焊接熔池深而窄，焊縫成形系數(shù)小，容易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。從合金元素對(duì)結(jié)晶裂紋的影響可知，由于背面碳弧氣刨清根的結(jié)果，使焊縫根部碳元素增加，熔合比過(guò)大，焊縫金屬稀釋增加，使得S、P等元素的含量也增加，容易形成低熔點(diǎn)共晶，增加了結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生機(jī)會(huì)。從應(yīng)力因素對(duì)結(jié)晶裂紋的影響可知，由于焊接時(shí)是先焊接V形坡口的坡口側(cè)和U-V形坡口的U形坡口，導(dǎo)致焊接另一側(cè)時(shí)，焊縫處于被拘束狀態(tài)，不能自由收縮，增加了應(yīng)變量，圖1單邊V形坡口圖2U-V形坡口6防止結(jié)晶裂紋產(chǎn)生的措施6.1控制焊縫中有害雜質(zhì)的含量相關(guān)研究表明，在一般的接頭拘束度下，焊縫金屬的ω(C)大于0.15%，S、P總質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.06%，就可能出現(xiàn)結(jié)晶裂紋。所以在選擇焊接材料時(shí)，應(yīng)當(dāng)選用低碳、低磷、硫的優(yōu)質(zhì)焊接材料，使之與母材混合后形成的焊縫金屬，其C、S、P等含量低于上列臨界值。6.2控制焊縫的截面形狀焊縫的截面形狀可以成形系數(shù)表征，成形系數(shù)ψ是焊縫寬度B與熔深H之比。相關(guān)研究表明，ψ值主要影響到枝晶成長(zhǎng)方向及其會(huì)合面呈對(duì)向生長(zhǎng)狀態(tài)，是雜質(zhì)析集嚴(yán)重的部位，因而最易產(chǎn)生熱裂紋，一般希望盡可能避免出現(xiàn)ψ＜1的情況，即焊縫實(shí)際深度不要超過(guò)焊縫寬度。焊縫成形系數(shù)可通過(guò)調(diào)節(jié)焊接參數(shù)來(lái)改變，提高電弧電壓，降低焊接電流可明顯地改善焊縫的成形，提高抗結(jié)晶裂紋的能力。6.3改變焊接接頭的坡口形式改變坡口的形式和角度，減小鈍邊尺寸，可以有效減小熔合比，采用碳弧氣刨背面清根時(shí)，應(yīng)擴(kuò)大根部焊道的寬度。6.4改變根部焊道的焊接方法由于埋弧焊線能量較大，焊縫根部容易出現(xiàn)結(jié)晶裂紋，所以可以采用焊接線能量較小，并且不影響生產(chǎn)效率的焊接方法，如焊條電弧焊，進(jìn)行焊縫根部的打底焊。焊條電弧焊焊接線能量較小，熔深淺，熔合比小，成形系數(shù)大，降低了根部熔池金屬的稀釋，減少了焊縫金屬的有害的雜質(zhì)元素，使結(jié)晶裂紋開裂的機(jī)會(huì)減少，并且焊條電弧焊打底焊后焊縫根部變寬，可以使埋弧焊進(jìn)行焊接時(shí)成形系數(shù)變大。6.5降低焊接拉應(yīng)力筒體在卷圓或組裝后定位焊時(shí)，為增加焊接接頭的拘束度，在縱縫端部的定位焊縫應(yīng)不小于100mm，并應(yīng)有足夠的焊縫厚度，且不得有裂紋、未熔合等缺陷。適當(dāng)加大引弧板和熄弧板的尺寸，引弧板和熄弧板與筒體的定位焊必須有足夠的長(zhǎng)度和厚度，且為連續(xù)焊，對(duì)于中厚板來(lái)說(shuō)，引弧板和熄弧板應(yīng)保證有足夠的焊縫厚度，并且最好開與縱縫相同的坡口形式。合理布置焊縫，避免焊縫交叉，控制合理的焊接順序，盡量使大多數(shù)焊縫能夠在比較小的剛度下焊接。7焊接工藝改進(jìn)及試驗(yàn)7.1焊接方法我們?cè)械暮附臃椒椴捎寐窕『高M(jìn)行雙面焊，根據(jù)以上分析，現(xiàn)改為采用焊條電弧焊打底焊結(jié)合埋弧焊的方法進(jìn)行焊接。7.2坡口形式為了加大焊縫成形系數(shù)，減小熔合比，同時(shí)提高焊接效率，我們對(duì)坡口形式進(jìn)行了如下改變：30mm-40mm板采用雙X形坡口，增大坡口角度，如圖3所示。41mm-50mm采取原有U-V形坡口，不過(guò)增大了U形坡口的根部半徑，減小了鈍邊厚度，并把U形坡口放在了筒體外側(cè)，圖3雙X形坡口圖4U-V形坡口7.3焊接材料Q345R屬低合金高強(qiáng)鋼，中厚板抗拉強(qiáng)度在490MPa-630MPa之間，根據(jù)等強(qiáng)度原則，焊條電弧焊選用J507焊條，埋弧焊焊絲選用H10Mn2，我們?cè)泄に嚥捎肏J431熔煉焊劑，但由于在焊接中厚板時(shí)坡口較深，脫渣性較差，焊后去渣打磨等工作導(dǎo)致焊接效率很低，所以改為采用SJ101燒結(jié)焊劑。SJ101焊劑具有引弧容易，電弧燃燒穩(wěn)定，脫渣性好等良好的焊接工藝性能。7.4焊接工藝評(píng)定為驗(yàn)證改進(jìn)后焊接工藝能夠滿足Q345R鋼制壓力容器力學(xué)性能要求，根據(jù)NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》我們選用厚38mmQ345R鋼板進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，可覆蓋產(chǎn)品16mm-200mm厚Q345R的焊接。因坡口形式在《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》中為次要因素，為取樣方便，采用單邊V形坡口如圖5，焊接方法為坡口側(cè)焊條電弧焊打底，埋弧焊填充及蓋面圖5單邊V形坡口7.4.1焊接工藝參數(shù)預(yù)焊接工藝規(guī)程（pWPS）擬定焊接工藝參數(shù)見表1，試板焊前預(yù)熱50℃，焊后經(jīng)620±20表1焊接工藝參數(shù)焊接層/道焊縫方法焊材直徑/mm焊接電流/A電弧電壓/V焊速/cm/min坡口側(cè)1/1焊條電弧焊3.2100-13022-248-12坡口側(cè)2/1焊條電弧焊4.0160-18022-2810-15坡口側(cè)3~n/1埋弧焊4.0550-65032-3645-50另一側(cè)1/1焊條電弧焊4.0160-18022-2810-15另一側(cè)2~n/1~2焊條電弧焊4.0160-18022-2810-157.4.2焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果（1）試板經(jīng)100%RT檢測(cè)，沒有缺陷。（2）室溫拉伸試驗(yàn)，Rm1=560.86MPa，Rm2=554.85MPa，母材標(biāo)準(zhǔn)下限值為Rm=490MPa。（3）室溫彎曲試驗(yàn)，接頭側(cè)彎試件為165mm×38mm×10mm，彎心直徑40mm，彎曲角度180°，試驗(yàn)結(jié)果合格。（4）沖擊試驗(yàn)試件尺寸為55mm×10mm×10mm，包含焊條電弧焊焊縫和埋弧焊焊縫，V形缺口，0℃以上各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》的標(biāo)準(zhǔn)，因此該工藝評(píng)定合格，可用于編制焊接工藝指導(dǎo)書（WPS）或焊接作業(yè)指導(dǎo)書（WWI）用于產(chǎn)品焊接。8產(chǎn)品焊接以我公司蓄熱器產(chǎn)品為例，筒體厚度為46mm，采用改進(jìn)后的焊接工藝進(jìn)行產(chǎn)品焊接，具體焊接過(guò)程如下：8.1焊前準(zhǔn)備（1）焊前清除坡口及母材兩側(cè)20mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹、水、積渣和其他有害雜質(zhì)。（2）清除焊絲表面上的油脂和銹斑，焊絲不得有折彎。（3）焊前J507焊條經(jīng)350-400℃烘焙1~2h后保溫，隨用隨取，SJ101焊劑經(jīng)300-350（4）縱縫兩端加100mm×100mm的引弧板和熄弧板，材質(zhì)和板厚與筒體相同，組對(duì)時(shí)注意對(duì)平對(duì)齊，間隙不宜過(guò)大，開與筒體縱縫相同坡口形式。8.2焊前預(yù)熱將焊件坡口兩側(cè)各150-200mm范圍內(nèi)母材預(yù)熱到100℃8.3縱環(huán)縫焊接（1）縱縫的焊接縱縫采用不對(duì)稱X形坡口，如圖6所示，筒體內(nèi)側(cè)采用焊條電弧焊打底，然后采用埋弧焊焊妥，筒體外側(cè)碳弧氣刨清根，用砂輪機(jī)清理根部，然后再采用埋弧焊焊妥。圖6不對(duì)稱X形坡口（2）環(huán)縫的焊接環(huán)縫采用U-V形坡口，如圖7所示，筒體內(nèi)側(cè)V形坡口采取焊條電弧焊打底并焊妥，筒體外側(cè)采用埋弧焊焊滿U形坡口。圖7U-V形坡口（3）焊接工藝參數(shù)