焊接接頭中熱裂紋產(chǎn)生原因、措施及方法

近年來特種設(shè)備上低合金高強(qiáng)材料的應(yīng)用越來越普遍,這與鍋爐壓力容器高溫高壓的工況有關(guān),但特種設(shè)備在制造過程中往往發(fā)現(xiàn)焊縫在熱處理后發(fā)現(xiàn)裂紋,特別如2.25Cr-1Mo,13MoNiMoR等材料,這引起了制造廠的注意。

1、焊接接頭中裂紋的種類很多

結(jié)晶裂紋:焊接熔池凝固結(jié)晶時(shí),在液相與固相并存的溫度區(qū)間,由于結(jié)晶偏析和收縮應(yīng)力應(yīng)變的作用,焊縫金屬沿一次結(jié)晶晶界形成的裂紋。此類裂紋只發(fā)生在焊縫中(包括弧坑)。

液化裂紋:焊接過程中,在焊接熱循環(huán)峰值溫度作用下,在多層焊縫的層間金屬與母材近縫區(qū)金屬中,由于晶間金屬/受熱重新熔化,在一定的收縮應(yīng)力作用下,沿奧氏體晶界開裂的現(xiàn)象,有的文獻(xiàn)稱為“熱撕裂”。

高溫低塑性裂紋:在液相結(jié)晶完成以后,焊接接頭金屬從材料的塑性恢復(fù)溫度開始冷卻,對于某些特殊的材料,當(dāng)冷卻到一定的溫度范圍時(shí),由于應(yīng)變速率和某些冶金因素的相互作用,引起塑性下降,導(dǎo)致焊接接頭金屬沿晶界開裂。一般發(fā)生在比液化裂紋的部位距熔合線更遠(yuǎn)一些的熱影響區(qū)。

再熱裂紋:焊接后,在消除殘余應(yīng)力熱處理或不經(jīng)任何熱處理的焊件,處于一定溫度下服役的過程中,在一定條件下產(chǎn)生的沿奧氏體晶界發(fā)展的裂紋。事實(shí)上再熱裂紋是低合金高強(qiáng)鋼焊接性要解決的主要問題之一,特別是某些含有較多碳化物形成元素如 Cr,Mo,V,并可產(chǎn)生沉淀碳化物的低合金高強(qiáng)鋼和熱強(qiáng)鋼厚板焊縫中,往往就會(huì)在焊后消除應(yīng)力熱處理過程中產(chǎn)生再熱裂紋,處理這些缺陷既費(fèi)工又費(fèi)時(shí),對生產(chǎn)帶來很大影響。下面就再熱裂紋的形成機(jī)理和制造過程中的預(yù)防措施及檢驗(yàn)方法進(jìn)行簡析。

2、再熱裂紋的機(jī)理

再熱裂紋的形成,簡單來說就是晶內(nèi)由于強(qiáng)化強(qiáng)度很大而晶界強(qiáng)度較弱,在焊后熱處理時(shí),應(yīng)力松弛時(shí)的形變集中加在了晶界上,一旦晶界應(yīng)變超出了晶界的強(qiáng)度極限時(shí),會(huì)導(dǎo)致沿晶界開裂產(chǎn)生裂紋。

(1)再熱裂紋形成的內(nèi)因  焊接時(shí),熔合線附近的熱影響區(qū)被加熱到1200℃左右,尤其是厚板多次被加熱后,晶粒粗大,而在冷卻時(shí)強(qiáng)碳化物析出較慢,同樣在埋弧焊時(shí),由于線能量較大,焊縫中間的晶粒也較粗大,在隨后的SR處理(480～680℃)過程中,碳化物(V4C3、NbC、MoC等)在晶內(nèi)彌散沉淀,從而強(qiáng)化了晶內(nèi)(晶內(nèi)熱強(qiáng)性好),使熱處理時(shí),應(yīng)力松弛時(shí)的應(yīng)變集中加載在晶界上;晶粒粗大,使承載應(yīng)變的晶界數(shù)銳減,同樣應(yīng)變單位晶界應(yīng)變量大大增加;另外,在焊后SR處理時(shí),低熔點(diǎn)雜質(zhì)及B、Sb、Sn、As等微量元素偏析于晶界,減弱了晶界的塑性,應(yīng)變超過晶界的塑性極限就形成開裂。

(2)再熱裂紋形成的外因  上面簡述了再熱裂紋的內(nèi)因,但要產(chǎn)生再熱裂紋還需要外因的存在,外因的產(chǎn)生應(yīng)該從焊接殘余應(yīng)力和膨脹應(yīng)力兩個(gè)部分來考慮。

焊后消應(yīng)力熱處理時(shí),焊接殘余應(yīng)力通過松弛蠕變變形得以降低,當(dāng)材料的變形難以滿足這種變形要求時(shí),就會(huì)產(chǎn)生裂紋。在焊接區(qū),低熔點(diǎn)化合物、偏析及粗晶脆化區(qū)的存在,由于晶界強(qiáng)度、韌性不足,不能抵抗蠕變膨脹變形而產(chǎn)生裂紋失效。

蠕變變形,實(shí)際上是一個(gè)受熱膨脹的過程,在這個(gè)過程中是產(chǎn)生膨脹拉應(yīng)力,來抵消一部分焊接過程中產(chǎn)生的壓應(yīng)力,當(dāng)冷卻收縮時(shí)產(chǎn)生收縮力來抵消部分焊接過程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力,從而使應(yīng)力峰值降低。因此,在焊接區(qū)內(nèi)微缺陷氣孔、夾渣等應(yīng)力集中區(qū),當(dāng)膨脹力與該區(qū)應(yīng)力疊加后產(chǎn)生高峰值的拉應(yīng)力,峰值大于材料的強(qiáng)度值時(shí),原來維持不失效的平衡將被打破而產(chǎn)生裂紋。這些應(yīng)力集中的區(qū)域應(yīng)力分布的狀態(tài)很復(fù)雜,受厚度位置的不同而存在差異,受周圍是否有接管等拘束的不同而不同。比如,該種缺陷處于V型坡口焊接時(shí)的下部,這些缺陷受的是拉應(yīng)力,處于上方時(shí),受的是壓應(yīng)力。這也是很多再熱裂紋多存在于焊接區(qū)的根部的原因。復(fù)合堆焊過渡層由于是異種鋼的焊接,組織非常復(fù)雜,又處于拉應(yīng)力的區(qū)域,故產(chǎn)生的再熱裂紋的傾向也是很大的。

預(yù)防措施:從再熱裂紋的形成機(jī)理原因分析,預(yù)防的措施有以下幾個(gè)方面:

嚴(yán)格控制原材料:在原材料的采購上,鋼中的Cr、Mo、V、Nb、Ti、B等強(qiáng)碳化物形成元素,對再熱裂紋形成有很大影響,需嚴(yán)格控制,還有能形成硫磷共晶物的 S、P 含量,采購焊接材料時(shí)也要有同樣的要求,這樣的措施是解決產(chǎn)生再熱裂紋內(nèi)因的較為有效的措施之一。

選擇熱裂紋敏感性低的焊接材料(嚴(yán)格控制S、P、 V、Nb等元素含量),焊縫金屬強(qiáng)度取下限。

制定合理的焊接規(guī)范:

①盡可能地降低焊接線能量,控制預(yù)熱層間溫度。這兩者決定了焊縫金屬的冷卻條件,對焊縫區(qū)顯微組織有很大影響。一般來講,采用小線能量多道多層并適當(dāng)提高焊縫區(qū)的冷卻速度,有助于改善顯微組織、提高沖擊韌性、防止熱裂紋產(chǎn)生是有利的。但過低的層間溫度,將不利于氫的逸出,有產(chǎn)生冷裂紋的危險(xiǎn),因此控制冷卻速度,獲取細(xì)化的晶粒應(yīng)著重考慮從控制線能量的大小上著手。

②采取適當(dāng)?shù)念A(yù)熱措施。采取適當(dāng)?shù)念A(yù)熱措施,可以軟化淬硬層的硬度、提高韌性、提高抗裂性。

控制焊接過程,減少微小缺陷量:認(rèn)真執(zhí)行焊接規(guī)范,減少微小缺陷,減少熔敷金屬量,采用窄間隙焊也是控制再熱裂紋的有效措施。通過上面的論述,這些微小缺陷,不超標(biāo)的缺陷,由于是應(yīng)力集中點(diǎn),因此,在熱處理釋放應(yīng)力過程中,有應(yīng)力疊加的原因,造成再熱裂紋。因此,控制這些缺陷也是必要的。

控制焊接殘余應(yīng)力:焊接殘余應(yīng)力在熱處理蠕變膨脹力作用下,特別是在應(yīng)力疊加為拉應(yīng)力的情況下,焊縫中的應(yīng)力集中點(diǎn),碳化物產(chǎn)生的沉淀硬化區(qū)后晶界的薄弱環(huán)節(jié),抵抗不了應(yīng)變造成開裂。因此在熱處理前,減小殘余應(yīng)力的手段也能減少再熱裂紋的產(chǎn)生。①采用半道中間熱處理。②采用高頻超聲波沖擊法。這兩種手段都能有效地減少焊接殘余應(yīng)力。

焊后熱處理:在焊后熱處理過程中,控制升溫以及降溫的速度,以較緩慢均勻地膨脹、收縮,減小再熱裂紋的產(chǎn)生。

3、檢驗(yàn)檢測鑒別缺陷的方法

一般使用的表面探傷只能指定有無缺陷,要能確定缺陷產(chǎn)生的真正原因還需要用下列方法進(jìn)行檢驗(yàn):

復(fù)型金相法:復(fù)型金相法常用于現(xiàn)場的非破壞檢驗(yàn)。當(dāng)工件處于振動(dòng)或部位窄小時(shí),可用復(fù)型金相法。制取的復(fù)型易長期保存,且能在試驗(yàn)室用顯微鏡進(jìn)行觀察分析和拍照。用大工件金相檢查儀與復(fù)型金相法配合使用效果更好。

4、被檢部位表面試樣制備

復(fù)型材料可用1～2mm厚的有機(jī)玻璃片,也可用醋酸纖維或硝酸纖維薄膜(AC紙)。有機(jī)溶劑可用氯仿、丙酮、醋酸乙脂等。

先將薄膜按所需大小截成小塊。操作時(shí),在已制備好的試樣表面上滴加適量的有機(jī)溶劑,并迅速覆蓋有機(jī)玻璃片或薄膜,用手指或膠皮輕輕壓緊,使其間的氣泡逸出。待其充分干燥后,即可取下,進(jìn)行觀察、拍照。 

為了增加組織襯度,被檢表面浸蝕可略深一些,或在有機(jī)溶劑中加入適量著色劑。

5、用大工件金相檢查儀微觀檢驗(yàn)

微觀檢驗(yàn)包括浸蝕前的檢驗(yàn)及浸蝕后的檢驗(yàn):浸前主要檢查試樣有無裂紋、非金屬夾雜物及制樣過程中所引起的缺陷;浸蝕后,主要檢驗(yàn)試樣的顯微組織。

觀察時(shí),一般先用顯微鏡的75～100倍觀察低倍組織全貌。需觀察細(xì)微的組織時(shí),再選用適宜的高倍率。

6、管道和部件的微觀檢驗(yàn)

a 鑒別材料中非金屬夾雜物、顯微裂紋的類型,觀察其形態(tài)和分布,測量其數(shù)量和大小。

b 鑒別被檢件顯微組織的組成,各種組織的形貌、分布和數(shù)量。對晶粒度、帶狀組織、非金屬夾雜物、魏氏組織、球化組織、脫碳層等作出評定。

c 鑒別組織特征,判定熱處理工藝狀態(tài),必要時(shí)為重新制定熱處理工藝提供依據(jù)。

d 鑒別以上缺陷與所檢裂紋之間有無關(guān)聯(lián)等。

由于再熱裂紋不是在焊接過程產(chǎn)生,而是在熱處理或運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的,因此再熱裂紋有一定的隱蔽性,進(jìn)而出現(xiàn)事故具有不可預(yù)見性,進(jìn)而會(huì)造成更大的損失。所以必須在特種設(shè)備的前期設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)等各環(huán)節(jié)預(yù)先考慮到再熱裂紋的出現(xiàn)。