厚壁管焊道开裂原因分析及控制措施

厚壁管焊后校圆焊道开裂的原因进行了分析,并提出相应的改进措施。结果表明,埋弧焊以后焊道存在结晶热裂纹和魏氏体组织是导致厚壁管校圆开裂的主要原因。同时,焊丝合金元素含量偏低,熔合区晶粒度偏大使得焊道力学性能降低,是引起厚壁管焊道开裂的间接原因。对厚壁管从焊接工艺、坡口形式、焊丝选型、时效处理等方面进行相应改进,解决了厚壁管焊后校圆开裂问题。

厚壁结构件在工程机械行业有着较为广泛的应用,由于使用工况较为复杂、恶劣,对于结构件的薄弱环节焊缝质量提出了较高要求。受工艺条件限制和焊接热输入的影响,厚壁管在卷圆加工过程中开裂,不仅影响产品质量而且造成较大的经济损失[2-4]。本文对厚壁管开裂的原因进行了分析,通过合理的工艺措施提升了焊缝质量。

1焊接工艺及开裂情况

母材为热轧结构钢,板材机加工成双V型对称坡口,坡口尺寸、形式如图1所示,下端采用手工气保焊焊接,上端采用埋弧自动焊焊接,其中埋弧焊工艺参数为焊接电流850A,焊接电压39V,焊接速度300mm/min,焊剂为HJ431,焊丝直径4mm,母材及焊丝成分见表1

焊接完成后,用四辊卷板机进行校圆,校圆过程中沿焊道纵向开裂。

采用空心钻在开裂位置进行取样,对试样线切割后,将其打磨抛光,其中上部Ⅰ区为埋弧焊接,下部Ⅱ区为手工气保焊接,试样外观见图2

2开裂组织及原因分析

2.1裂纹产生原因

根据裂纹在焊缝中出现的位置可判断为结晶热裂纹,原因在于熔池金属熔化时形成的液态薄膜及凝固过程中受到的拉应力作用。金属结晶学理论表明,先结晶的金属杂质含量较多并在晶界位置富集,对于16Mn而言,杂质多形成低熔点的共晶体。焊缝金属凝固的后期,在铸态组织中两侧柱状晶的推挤作用下,在中心部位形成所谓的“液态薄膜”,随着热源的离开,液态薄膜最终冷却形成低熔点共晶体组织,该区域属于焊缝的薄弱地带,与此同时焊缝两侧金属逐渐凝固收缩,产生拉伸应力,在拉应力的作用下,这个薄弱地带就有可能开裂而形成结晶裂纹。

2.2母材及焊接热影响区(HAZ)金相分析

对母材、焊缝熔合区及开裂一侧热影响区(选取两点)进行取样,试样经打磨抛光后通过4%硝酸酒精腐蚀,观察微观组织。

3a)表明,母材为热轧态组织,即铁素体+珠光体,且带状组织明显,母材组织良好;图3b)为焊缝熔合区,为焊材凝固后形成的铸态组织,即先共析的针状或条束状铁素体+少量珠光体组织;图3c)、(d)为热影响区,其金相组织为过热的魏氏体组织,即呈网状或断续网状的铁素体+向晶粒内部生长的针状或条束状铁素体。魏氏体组织是因焊接时温度过高使奥氏体晶粒粗大,在冷却后出现的,魏氏体组织的出现使得材料的力学性能明显下降。

2.3焊道合金元素及晶粒度分析

将试样进行线切割,经打磨抛光测量元素分布、晶粒度大小,结果如表23所示。

从表2可知,焊缝组织晶粒细小,整体晶粒度等级较高;开裂侧热影响区晶粒度2~3(176~125μm)较为粗大。造成这种现象的原因是焊接时母材温度低而焊接区温度高,且厚板冷却速率较大,造成热影响区组织粗大。

从表3可知,焊缝熔合区的化学成分CMnP(钢中的主要强化元素)含量大体上介于Q195Q215钢之间,其强度也介于两者之间,焊缝合金元素含量明显低于母材Q345钢,说明所用焊丝的强度低于母材。

3开裂控制措施

根据以上分析,为防止厚壁管焊后校圆过程中再次开裂,采取以下措施:

1)对厚壁管坡口位置进行预热,预热温度应为150~170℃,焊接时避免在高温区时间过长,并减缓焊后冷却速率。

2)采用与母材强度相匹配的焊丝,并在焊后校圆之前进行振动时效处理,以消除焊接残余应力。

4结论

埋弧焊以后焊道存在结晶热裂纹和魏氏体组织是导致厚壁管校圆开裂的主要原因,同时,焊丝合金元素含量偏低,熔合区晶粒度偏大使得焊道力学性能降低,是引起厚壁管焊道开裂的间接原因。对厚壁管从焊接工艺、坡口形式、焊丝选型、时效处理等方面进行相应改进,解决了厚壁管焊后校圆开裂问题。

文章作者:不锈钢管|304不锈钢无缝管|316L不锈钢厚壁管|不锈钢小管|大口径不锈钢管|不锈钢换热管

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