碳钢容器焊接裂纹产生的具体原因以及一些预防

 文分析了机械构件中碳钢焊接裂纹产生的具体原因，提出了控制焊接裂纹产生的一系列预防措施，为提高机械构件设计、制造、安装质量提供了理论参考。关键词：焊接裂纹；原因；措施1，引言焊接已成为制造金属结构和机器零件的一种基本工艺方法。如船体、锅炉、高压容器、车厢、家用电器和建筑构件等都是用焊接方法制造的。焊接具有、成本低、工艺性好等优点，但它同时也存在一些缺陷，如咬边、气孔、裂纹等，地控制这些缺陷，将有重要的现实意义。众所周知，压力容器是现代社会为重要的特种设备.当其发生断裂事故时，特别是在高温、高的交变热应力及在腐蚀环境下运行的压力容器，一旦发生断裂，就会给社会造成重大损失。据统计，压力容器发生事故，绝大多数是出于裂纹而引起的脆性破坏。另外，即使是一般的锕架结构、机械零部件等，如果有焊接裂纹的存在，其造成的后果是显而易见的，小到结构，零部件的报废，大到产生生命财产的损失。因此，分析探讨在制造过程中焊接裂纹产生的原因.从根本上提高机械设备运行的性，是一个重要课题。这里所}t论的焊接裂纹足指熔化电弧焊或等离子弧焊产生的裂纹。当焊口沿着接头点移动热源时，强烈的电弧熔化填宄金属和附近的基体金槿并形成熔池，而熔池又被周围冷态的基体金属冷却至凝固温度以下并逐渐凝固，因而使接头附近的墓体金属连接为一体。在接头末端，若立即熄弧停止焊接，由于没有填充金属进人熔池，焊缝金属留下的l…坑称之为弧坑，而那里的焊缝应该是完满的。在局部应力超过材料的限强度时，基体内的裂纹将会扩展。冶金专家将裂纹分为热裂和冷裂两种类型。当刚凝固的焊缝金属被加热到较高温度时，热裂纹就会以沿品方式扩展。冷裂纹在结晶温度以下产生。当金属冷却时，收缩应力增大，冷裂纹以册晶和穿晶两种方式扩展。由氨脆引起的基体金属冷裂纹，称为延迟裂纹，即使一般不发生在焊缝，但仍是熔化焊接头的严重缺陷。弧坑中的收缩应力使其产生表面裂纹，一般呈星族状，称之为星状裂纹【l～3】(如图l所示)。2.1、裂纹形成的特征现场观察：焊接裂纹主要产生在道焊缝结晶舡合处垂直于焊缝鱼鳞波纹，既有中间裂纹，又有终端裂纹。呈不明显的锯齿形，是由液态转变成固态时高温结晶形成的。属于一种结晶裂纹，其表面有发蓝、发黑氧化色彩，开裂时无金属拉裂的声响，叉属于一种热裂纹。2.2、g『起裂纹产生的因素(1)工件材质的影响上件材质的化学成分不稳定.含碳鼍的提图1星状裂纹高及磷、硫等杂质的增加，是焊缝裂纹产生的因素之一；另外，用碳弧气刨倒坡口，使焊区局部增碳严重，焊缝局部形成珠光体乃至渗碳体组织，脆性大，在冷却结晶过程巾易产生裂纹[4】。随着石油化学工业的发展，压力容器也相应地朝大型、高压及厚壁方向发展，因此低合金结构钢，合金钢以及高强铜均广泛应用。这砦合金钢材虽然强度较高，但韧性较低，有的还具有低温冷脆性，此外，材质的合金元素含量越高，其淬硬倾向就越大，因此，这些钢材比低碳钢容易发生裂纹。在焊接影响区中，如果钢材母材有折叠、重皮、分层等缺陷，也可以构成裂纹源而扩展成为裂纹。如吉林某化肥厂一台苏制水洗塔，运行5年后发生爆炸，整个塔碎成百余块，其中一块重1t飞出百余米，造成死亡十余人的重大事故，事后检杏塔壁碎片，发现许多焊接裂纹，经鉴定认为，事故主要是由于制造产生的焊接裂纹再加卜所用材料在冬季低温时韧性较差而造成脆性破坏。(2)焊接规范的影响焊接电流过火，温升快，温度高.焊缝区与周同金属温差火，因冷却，产生热应山而造成裂纹。现代压力容器绝大多数是采用焊接结构，主要是因为它具有连接、重量轻、结构设计简单、制造省时和成本低等优点。但同时焊接结构本身缺陷也带入容器，在焊接压力容器制造过程中，焊接接头往往存在着一些焊接缺陷，如裂纹，未熔台，来焊透、咬迎、气孔和夹渣等.这些缺陷的存在使焊缝实际承载截面大为削弱，而且会在缺陷的周围产半较大的拘束麻力和残余应力，增加新的应力集中在这些缺陷征交形成的几何条件下，应力的均匀分布越不利，应力集中就越严重导致缺陷处的应力场强度因子增加，使缺陷处易择先开裂而成为裂源[5]。如1987年毫卅l市某化肥厂l辆液氨汽车罐车在行驶途中，液氨罐先由尾部开裂泄漏，随即发生爆炸，造成多人伤亡。事后检查发现，简体上的纵焊缝及巾部环焊缝为未开坡口双面对接焊，封头与简体相联的环焊缝为未开坡口的单面手工焊.存在着严重的对接错边，所有焊缝均存在严重未焊透、未熔台、气孔、夹渣等缺陷，焊缝外观质量也很差，存在角变形、错边，咬边等超标缺陷。分析其检验结果，裂纹源产生的原因丰要是由原始焊接缺陷(未熔合)引起，目+焊接接划夏存在粗大的魏氏组织，使焊接接头的强度、韧性指标严重降低。主裂纹源位于罐体底部，在容器长期使州中，其裂纹存在严重的应力集中，使裂纹扩展。加上在长期使用中.没有执行压力容嚣定期检脸制度，致使制造中存在焊接缺陷，在交变载荷作用下产生高应变扩展，终达到临界值而导致脆性断裂。(3)工件结构的影响在焊接过程中，由于焊缝医必然产生焊接变形，而工件刚性大，不易随之变形.因而产生内应力，引起焊缝裂纹。压力容器由于焊接结构不合理而引起裂纹并导致爆炸事故也是常见的，它的主要特点是错边和角变形。这种缺陷会使容器在接缝处因结构不连续而产生应力集中，甚至在焊缝边缘产生裂纹。再加上其它一些不安垒因素很容易造成事故。如同本千叶炼油厂的一个1000m3球形贮罐发生脆性破裂，主要是这种原因引起的，这个球罐在现场装配焊接时，把顶板上一块月牙板装在底板上，因两种板相差20mm宽，焊缝对不上，I。是嵌进一块金属板再进行焊接，焊缝两侧错边约3mm，角变形6—70；结果就在试压时，整个球体突然发生脆裂，裂缝全长约10m。(4)熔池形状的影响不同的熔池形状对焊缝裂纹也有明显的影响。窄而深的熔池及焊缝终端收弧过快而形成的凹陷弧坑，使得一些低熔点杂质易集中在焊缝处，当焊缝结晶产生横向收缩时，焊缝承受拉应力，而处强度差则产生裂纹。(5)焊接接头处拉伸残余应力的影响制造机械构件时，如果存在较大的焊接残余应力，而叉没有经过焊后热处理进行，刚这些残余应力也会直接或间接地导致设备的损坏。压力容器如果存在较大的焊接应力，再加上使用压力下产生的应力，经过反复加载，局部就会产生裂纹终使设备破坏。