复合板焊接裂纹分析及控制方法

辛东博

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摘要：近年来，我国的工业化进程有了很大进展，对复合板的应用也越来越广泛。本文首先对不锈钢复合板焊接性分析，其次探讨焊后热处理对应力场的影响，然后研究焊接微裂纹缺陷显微检测及分析，最后就压力容器不锈钢复合板焊接工艺研究，对焊接质量提升具有重要的工程指导意义。

关键词：复合板；氢致延迟裂纹；成分稀释

引言

压力容器设备在盛装各种化学腐蚀性介质时，腐蚀性介质必然会对容器壁产生腐蚀，严重时会使压力容器发生腐蚀破坏，引发安全事故。为了尽量避免这种安全事故的发生，一般当压力容器的设计厚度大于12mm时，设计人员就应考虑选用具有优异耐腐蚀性能的复合材料进行焊接施工。自20世纪50年代以来，容器设备往往采用内壳防腐层衬里的办法解决，但其耐蚀及抗磨效果较差，质量不易保证，工期长、后期维修麻烦，使用寿命不长。而采用纯不锈钢、镍基合金等这种耐腐蚀性优良的材料制造容器设备则造价十分昂贵。

1不锈钢复合板焊接性分析

不锈钢复合板通常用于容器制造，与复合管只能单面焊相比，复合板在部分焊缝上可以实现双面焊，在焊接方法上有了更多的选择。相比机械复合，冶金复合在进行冷加工和热加工时结合面不易脱离，所以，焊接时坡口无需过渡金属，可以选择比较经济的焊接材料。然而，基层与覆层的热膨胀系数及热导率分别有较大差异。覆层材质热导率低，热膨胀系数大，焊接过程中由于温度的升高，易造成焊接变形较大，在焊后冷却时，覆层的收缩量大于基层的，造成接头受到较大的热应力作用。同时，基层与覆层的化学成分差异较大，基层焊缝对覆层焊缝会产生一定程度的稀释，导致覆层的耐腐蚀性能降低，基层接头力学性能降低。不锈钢复合板在焊接时一般将基层与覆层分别进行焊接，并在基层与覆层之间焊接过渡层。过渡层的焊接是重点，过渡层焊接的本质是异种钢焊接。过渡层的焊接要保证:①保证过渡层和覆层焊缝的合金元素含量，使其具有与覆层母材相近的耐腐蚀性;②保证过渡层和基层焊缝的力学性能，确保不会产生马氏体硬脆组织和裂纹等。

2焊后热处理对应力场的影响分析

采用温度场计算结果作为载荷,对焊接接头进行应力计算,再以应力场计算结果为初始条件,进行焊后热处理的应力场分布计算。其中第一道、第五道和第六道为覆层侧焊缝中心的残余应力曲线,第二道至第四道为基层侧焊缝中心的残余应力曲线。随着焊接道次的增加,焊缝的残余应力逐渐趋于平缓,熔合区附近的残余应力逐渐升高。这主要是由于前一道焊缝形成后,转为紧邻的下一道焊缝的热影响区,其峰值温度与母材中的焊接热影响区接近,后续焊道成形过程中,焊缝及热影响区的部分金属熔化或软化,导致残余应力消失,并在冷却阶段发生残余应力的重新分配。而熔合线附近由于焊接热影响区及焊接变形的发生,导致残余应力值上升。左侧所施加拘束较大导致左侧残余应力值高于右侧。

3焊接微裂纹缺陷显微检测及分析

为反映实际制造工艺下正交异性钢桥面板顶板与纵肋构造细节微裂纹缺陷分布特性,采用工厂已用于实际桥梁结构中的正交异性钢桥面板节段中的一部分进行研究。焊接工艺采用单面气体保护焊工艺,钢桥面板节段焊接完成后,按行业规范《无损检测焊缝磁粉检测》(JB/T6061—2007)中Ⅰ级焊缝要求(即焊缝缺陷尺寸小于0.5mm)进行检测。检测合格后,沿纵向每道焊缝每隔100~50mm切取1个接头试件,试件厚度约为20mm,切割得到顶板与纵肋焊接接头共计120个。为达到微米级观测精度的同时考虑观测效率,采用扫描电子显微镜(SEM)结合金相显微镜对焊接接头微裂纹缺陷联合检测。同时对顶板焊趾(DT)和顶板焊根(DR)两处关注位置进行拍照并编号,同时检测其焊根熔透率情况。从焊接接头焊趾及焊根2个位置显微检测过程中发现:①焊趾位置微裂纹缺陷普遍存在于焊材与热影响区交界处(焊趾几何突变位置)以及焊接热影响区范围内,裂纹方向沿顶板方向,裂纹角度普遍在垂直于顶板方向±45°范围内,部分焊接接头有多条微裂纹缺陷,同时还存在少量小尺寸咬边以及凹槽等体积类缺陷;②焊根处熔透率范围为82%~97%,普遍存在焊根未熔合现象,且未熔合缺陷尺寸明显高于焊趾的微裂纹缺陷,典型微裂纹方向为沿焊材与母材交界边缘向顶板方向以及纵肋方向,焊根处同时存在部分裂纹的尖端穿越焊材并向焊材处延伸的现象。对于顶板与纵肋构造细节,充分考虑到焊趾及焊根处初始缺陷尺寸上的差异,是对构造细节主导失效模式进行合理判断及对正交异性钢桥面板结构体系进行合理评估的关键。

4压力容器不锈钢复合板焊接工艺

由于铸钢所在区域形状较为特异，局部热处理电加热片无法布置，且铸件整体尺寸较大无法整体放入炉内整体热处理。焊后热处理对于高碳当量铸钢焊接接头较为有利，可以降低焊接接头应力水平，对于避免产生冷裂纹有很大的帮助。但由于钢结构中焊缝交叉较为明显，铸钢结构与外部塔体结构存在直接连接，焊后热处理操作会导致整个下塔体结构焊缝均需要热处理，对于成本、工期保证、精度控制极为不利。因此，焊接接头完成后并未进行热处理。焊接完成后，焊接接头进行外观检查、ＭＴ、ＵＴ检测，根据施工经验，在焊接过程中需要注意以下操作细节：（1）铸钢材料在生产过程中容易存在沙眼等缺陷，在坡口机加工过程中发现容易表面开裂情况时有发生，因此在坡口加工之前需要对加工区域至少3倍壁厚范围内进行超声检测，确保无缺陷。（2）焊接过程使用的气保护焊由于使用混合气体，熔深较纯二氧化碳气体保护的熔深浅，出现夹渣的概率偏高，反映在超声检测中会出现一定数量的点状超标缺陷。为避免出现点状缺陷，在层间焊接过程中必须进行层间打磨清理，特别是清理焊道沟槽，尽量消除沟槽，焊道打磨光亮，必要时使用空气吹扫。（3）药芯焊丝气保护焊在焊接过程中并非电流参数越大，成型效果越好，点状缺陷越少。（4）在盖面焊道时焊接顺序摒弃以往从一侧向另一侧焊接的常规焊接方式，使用回火焊道，从坡口两侧向中心焊接，同时控制焊道的搭接量在50％以上，此方法可以避免焊接完成之后局部维式硬度超标。（5）焊接过程全程使用电加热方式保证预热和层间温度，特别冬季施工，出现焊接中断后，维持加热或覆盖保温棉缓冷。若冷却后重新焊接，焊接接头必须进行ＭＴ检测确认无任何线性显示后再次施焊。（6）焊接完成后，电阻加热片无需立刻去除，尽量控制冷却过程实现缓冷。特别是在冬季施工过程中，缓冷可以有效避免高碳当量铸钢焊后出现裂纹。

结语

综上所述，不锈钢复合板焊接接头残余应力随着焊接道次的增加,焊缝区的残余应力逐渐减小并趋于稳定,熔合线附近的残余应力逐渐增大,且高于其他位置的残余应力。铸钢母材的疲劳裂纹扩展速率高于焊接熔合区和焊缝处的疲劳裂纹扩展速率；母材、熔合区及焊缝处的疲劳裂纹扩展门槛值均高于标准规定。焊接过程中，严格控制热输入，防止热输入过大。焊接接近覆层坡口边缘时要避免焊缝金属熔化覆层金属，减少稀释，避免产生马氏体淬硬组织，防止产生裂纹缺陷。

参考文献

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［2］张先亨,王志刚,李亚亚,等.UNSN08825+Q345R厚壁复合板焊接难点分析[J].中国化工装备,2019（4）：37−41.

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