管式换热器异种材料焊接导致管角焊缝产生裂纹原因分析与处理

作者:凌晨 刊名:无损探伤 上传者:黄婕

【摘要】针对管式换热器异种材料焊接产生的裂纹进行了分析与处理。

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1情况说明管式换热器(图1)的管板材料:Q345R;厚度:38mm;管子材料:00Cr17Ni14Mo2规格:192焊接接头形式(图2)。图1管式换热器图2焊接接头形式焊接方法:自动氩弧焊自熔加填丝,焊接工艺程序如下:(1)清理、组对、点固;(2)施焊;(3)外观检查、焊脚高等于薄片厚;(4)100%PT,JB/T4730,级合格;(5)焊材应有质保书;(6)所有管头焊接前必须打磨清理、去除氧化层,用无水酒精清洗待焊处,干净后才允许焊接。原换热器与管板焊接工艺卡见表1。表1焊接工艺卡焊接位置管子水平固定焊施焊技术自动氩弧焊层-道焊接方法填充金属焊接电流牌号直径极性电流A电弧电压焊接速度cm/min预热温度801自动氩弧焊(自熔)//直流正接基值50~70峰值140~18010~148~12(~35s)道间温度1502自动氩弧焊(填丝)H03Cr24Ni13Si(ER309L)1.0直流正接基值50~70峰值140~18010~148~12(~35s)焊后热处理无后热无钨极直径W-Ce-20,2.0喷嘴直径10脉冲频率/脉宽比(%)/气体成分99.99%Ar气体流量正面10~15背面/依据以上焊接工艺卡进行焊接后,冷却至室温,立即对管板角焊缝进行100%渗透探伤发现有大量的裂纹出现,裂纹方向基本上与焊缝垂直(图3)。2产生裂纹原因与分析图3焊接裂纹2.1分析(一)依照正常工艺进行的异种钢焊接为什么会出现焊接热裂纹呢?经对产生裂纹处进行打磨、解剖后发现裂纹在第一道采用自熔时就出现了,而第二道填丝出现裂纹是第一道已产生裂纹的扩展(管板材料:Q345R;换热管材料:00Cr17Ni14Mo2),产生热裂纹的原因之一是由于奥氏体不锈钢焊缝中枝晶方向性很强,枝晶间有低熔点杂质的偏析,加之奥氏体不锈钢导热系数仅为低碳钢的1/2,而膨胀系数比低碳钢大50%左右,使焊缝区产生较大的温差和收缩内应力,所以焊缝中容易产生热裂纹。2.2分析(二)经过对该裂纹处金相分析发现(图4)焊接热裂纹是一种应变控制的高温晶间断裂,是由于金属所承受的拉伸应变超过了该温度下金属所具有的塑性值所致。金属在结晶过程中的塑性变化如图5所示,固相晶粒间尚有小量晶间液膜时,金属具有极低的塑性,最小塑性值以min表示,金属处于这一状态的温度范围称脆性温度区间(BTR),凝固裂纹就形成于这一温度区间。焊缝金属在脆性温度区间内承受的拉伸应变,取决于随温度的下降,拉伸应变的增长速率d/dT以及脆性温度区间的大小:=ddT(Ta-Tb)如果焊缝金属在脆性温度区间内承受的拉伸应变的数值超过金属在此温度区间内的塑性值min,则形成凝固裂纹,所以凝固裂纹的形成条件为:>min。焊缝金属在脆性温度区间内的塑性值min越低,而脆性温度区间的温度范围越宽,则形成凝固裂纹的倾向就越大。min与BTR值主要取决于焊缝金属的合金成分、杂质含量、焊缝结晶过程中的偏析程度以及结晶方式与晶粒粗细等冶金学因素。图4焊缝凝固裂纹金相图min-最小塑性值;BTR-脆性温度区间;CST-临界应变值。图5金属在结晶过程中的塑性变化与临界应变速率因此,从断口金相上看到裂纹形成时,晶界上有连续液层,而裂纹形成后如拉伸应变持续增长,裂纹就会向晶间液层稍厚(即温度较高)的区域以及晶间液层少而不连续(即温度较低)的区域扩展。同时大量研究工作已经证实:焊缝结晶过程固相晶粒之间残留液相的分布形态对裂纹倾向有很大影响。固相与液相之间表面张力sl很小时,接触角0,此时晶间残留液相呈连续液膜状分布,凝固裂纹倾向最大。当固相与液相间表面张力sl很大时,接触角>

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