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學術論文

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一文搞定焊接延遲裂紋

延遲裂紋的危害

        在焊接生產過程中,由于鋼種和焊接結構類型不同會出現各種裂紋。裂紋的形態和分布特征是很復雜的,有焊縫的表面裂紋、內部裂紋,有熱影響區的橫向裂紋、縱向裂紋,有焊縫和焊道下的深埋裂紋,也有在弧坑處出現的弧坑裂紋。值得關注的是,裂紋有時出現在焊接過程中,有時會出現在焊接完成后放置過程的幾小時或幾天后,也有的在運行過程中幾年,甚至十幾年后才出現。裂紋開始少量出現,隨著時間增長逐漸增多和擴展,這類裂紋就是延遲裂紋。延遲裂紋在制造過程中沒被發現,在使用過程中就可能造成極其嚴重的后果,所以比一般裂紋的危害性更大。

    延遲裂紋的產生和發展是緩慢的、間歇式的,它不僅給生產帶來許多困難,而且可能帶來災難性的事故。氫致延遲裂紋而導致的事故在國內外都常有發生,據1965年英國的統計,在英國發生破壞的132臺壓力容器中,由于延遲裂紋引起的破壞就有118臺,占破壞總數的89.3%。日本的焊接技術在國際上處于非常高的水平,但是其某公司生產球罐144臺,在使用過程中從45臺球罐中檢測出裂紋1471條,其中屬于延遲裂紋的就有1248條。

延遲裂紋的形成機理

    延遲裂紋的形成與鋼的淬硬傾向、焊接接頭的含氫量及其分布、焊接接頭的應力狀態有關。延遲裂紋有的沿晶界擴展,有的穿晶前進,這與焊接接頭的金相組織、應力狀態以及氫的含量有關。一般延遲裂紋多為穿晶裂紋(裂紋穿過晶界進入晶粒),其成因是由于焊道熱影響區的低塑性組織承受不了冷卻時的體積變化及組織轉變產生的應力而開裂,或是由于焊縫中的氫原子相互結合形成分子狀態進入金屬的細微孔隙中時形成巨大的內應力與焊接拘束應力的共同作用下致使焊縫開裂(稱為氫致裂紋)。

    1.延遲裂紋的分類

    延遲裂紋分為焊趾裂紋、焊道下裂紋和根部裂紋。

    (1)焊趾裂紋產生于母材與焊縫交界處,有明顯的應力集中傾向,裂紋走向一般與焊道平行。

    (2)焊道下裂紋發生在淬硬傾向較大,含氫量較高的焊接熱影響區,裂紋走向一般與熔合線平行。

    (3)根部裂紋可能出現在熱影響區的粗晶區域,也可能出現在焊縫金屬中,取決于母材和焊縫的力學性能及焊縫根部的形狀。

    2.產生延遲裂紋的原因

    鋼的淬硬傾向、焊接接頭的含氫量及其分布、焊接接頭的應力狀態是中高強度低合金鋼產生延遲裂紋的三個要素。它們相互作用、相互影響,必然有一種或兩種起主導作用,其中關鍵性的因素是含氫量。焊縫中的氫是在潮濕氣氛中、在焊接的高溫下以原子的狀態溶入焊縫金屬的,冷卻后鋼對氫的溶解度變小,氫原子聚集分布廣,已無法逸出焊縫,便形成巨大的內應力,致使裂紋開裂。斷口上常有白色斑點,稱為氫白點。因此,延遲裂紋也稱為氫致裂紋。

    (1)金屬的淬硬程度 焊接過程中,在焊接熱循環作用下,金屬熱影響區和半熔化區易形成馬氏體等淬硬組織,在近縫區由于加熱溫度高,晶粒粗大,使這里的焊縫組織塑性大大降低,焊接接頭性能脆化。在焊接拘束應力作用下,產生巨大的內應力,使晶粒內部破裂,形成開裂。

    (2)焊縫接頭的應力狀態 焊接接頭的應力來自三方面:①焊縫和熱影響區在不均勻加熱和冷卻過程中產生的熱應力。在焊接時,焊接區由于受熱面發生膨脹因而承受壓應力,冷卻時受熱面收縮承受拉應力。應力的大小與母材和填充金屬的熱物理性質有關,也與結構的剛度有關,在應力作用下,會引起氫的聚集,誘發氫致裂紋。②焊接接頭不均勻的組織轉變所引起的組織應力。高強鋼奧氏體分解時(析出鐵素體、珠光體和馬氏體),引起體積膨脹,而轉變后的組織都具有較小的膨脹系數,會減輕焊后收縮時產生的拉伸應力,從這點看相變時產生的應力會降低裂紋傾向。③焊接接頭受焊接剛性拘束產生的拘束應力。這種應力與結構的剛度、焊縫位置、焊接順序、構件自重以及載荷情況等因素有關。

    3.熔敷金屬中擴散氫的含量

    延遲裂紋的產生與焊接接頭的含氫量有直接關系,溫度是影響焊接接頭氫擴散、逸出的重要因素。在焊接過程中,液態金屬所吸收的氫,有一部分在熔池結晶過程中可以逸出,但熔池的結晶速度很快,還有相當多的氫來不及逸出,而被留在固態焊縫金屬中。這對焊縫的性能會產生很大的影響,形成巨大的內應力,致使焊縫開裂。實際上真正導致產生延遲裂紋的氫被稱為擴散氫,因其能在固態金屬中自由擴散而得名。擴散氫是導致氫白點、氫脆、氫致裂紋即延遲裂紋等缺陷產生的重要因素。

    4.焊縫中氫的來源

    焊接過程中進入熔池的氫主要來源于焊接材料中的水分、含氫物質、電弧周圍空氣的水蒸氣、焊絲和母材坡口表面上的水、鐵銹及油污等雜質。

    焊接時焊縫和熱影響區吸收了氫,而焊接接頭又存在復雜的應力,特別是當焊縫存在微小裂紋和夾渣時,會造成三向應力區,在三向應力區存在的應力梯度,促使氫的擴散,使氫逐漸向三向應力區集中。當三向應力區的含氫量達到臨界濃度后,金屬原子鍵破裂,裂紋擴展。隨著裂紋擴展,該區應力釋放,多余的氫由新的裂紋面向外擴散,在新的裂紋端再重復上述過程,直至裂紋開裂。氫的擴散、聚集和誘發需要時間,因此產生延遲。

延遲裂紋的防止措施

    1.工藝方面

    建立低氫的焊接環境,選用低氫焊接材料和低氫焊接工藝,如采用CO2氣體保護焊可獲得低氫焊縫。

    盡量選擇低強焊材,以降低焊接接頭的應力,當焊接接頭的強度低于母材時,拉伸應力可通過塑性變形釋放。

    采用合理的焊接順序,焊接時先焊收縮量較大的焊縫,后焊收縮量較小的焊縫,使焊縫能夠自由收縮,以降低焊接拘束應力。

    (1)制定合理的焊接規范及熱輸入,控制冷卻時間,可以改善焊縫及熱影響區的組織和性能。

    (2)焊前預熱,控制層間溫度,降低冷卻速度,以便氫的擴散,可有效地防止延遲裂紋的產生。

    (3)低溫消氫處理加速氫的擴散。延遲裂紋一般在焊后幾小時或幾天之后才會產生。若能在產生裂紋以前及時對焊縫進行后熱處理(消氫處理),在300℃對焊縫進行加熱,使殘留在固態焊縫金屬中的氫加速擴散和逸出,可在一定程度上起到降低焊接殘余應力的作用,改善焊接接頭組織,有效防止延遲裂紋。

    (4)對厚鋼板采用多層多道焊。前一層對后一層預熱,后一層對前一層起熱處理作用,降低了殘余應力的作用,改善了焊接接頭組織。

    (5)錘擊焊縫表面,使其產生壓應力,以改善焊縫應力場,減小延遲裂紋產生的幾率。

    (6)對有延遲裂紋傾向的材料,應在焊后24h進行檢測,以防止延遲裂紋的漏檢。

    2.冶金方面

    (1)控制氫的來源。盡量選擇低氫或超低氫焊材,焊材使用前要烘干,清理焊絲、焊縫坡口上的水、鐵銹和油污等雜質。

    (2)選用堿性低氫焊條,藥皮中加氟石可降低焊縫中的氫含量。

    (3)合理選擇焊縫金屬的合金成分,適當加入某些合金元素,提高焊縫金屬的韌性和焊縫抗裂能力。

    (4)對難焊和易開裂的鋼,選用奧氏體不銹鋼焊條,由于奧氏體對氫的溶解度大,沒有氫焊縫就不會產生開裂。

    3.降低焊接應力

    (1)設計合理的焊接接頭,多采用對接接頭,避免搭接接頭,焊縫外形設計應合理,焊縫布置應盡可能遠離截面突變處,焊縫余高不能過高,焊縫接頭截面要圓滑過渡,以減小焊縫拘束度,避免過高的應力集中。

    (2)避免密集焊縫,采用合理的焊接順序,以減少焊縫剛度。

結語

    影響延遲裂紋的原因很多,它與設計、材料、工藝、焊接、維護保養及使用管理等各方面的因素有關。正確地選擇預熱、后熱和焊后熱處理可有效地防止延遲裂紋,而對設備每年的檢驗、檢修是發現事故隱患,防止、杜絕延遲裂紋的發展、斷裂,引起事故的重要措施。應從全方位進行綜合控制,使設備處于良好的工作狀態,對防止設備因延遲裂紋而引起失效或推遲設備失效的時間是可行的.


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點擊次數:  更新時間:2016/7/29 12:13:22

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