探討復(fù)合鋼板焊接接頭斷裂的原因及改進措施

復(fù)合鋼板以其高耐磨性、良好的耐沖擊性、較好的耐熱性和耐腐蝕性、選擇面廣、適應(yīng)性強、方便加工及高性價比等抗磨材料中的優(yōu)勢，被廣大廠礦企業(yè)所采用。

但在使用的過程中曾出現(xiàn)過焊接接頭斷裂現(xiàn)象不容忽視。需要加以分析和改進，以保證使用的安全性和使用壽命。

一、對復(fù)合鋼板焊接接頭斷裂的原因分析

通過對以下發(fā)生的復(fù)合鋼板在焊接中接頭出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象的分析，可找出造成焊接頭斷裂的原因;

某廠500萬t/a在常減壓蒸餾裝置中的換熱器殼體材料選用(16MnR+405)復(fù)合鋼板制造。其基層材料為16MnR，復(fù)層不銹鋼為0Cr13A1。在該批換熱器的制造過程中，先后有4個筒節(jié)縱向焊接接頭斷裂，其中規(guī)格為φ1200mm×(16+3)mm的2節(jié)。φ800mm×(22+3)mm和φ900mmx(24+3)mm的各1節(jié)。斷裂均在基層焊接完成后校圓時發(fā)生。

(一)材料化學成分及力學性能分析

1、基層與復(fù)層材料的化學成分見表1。

2、力學性能:基層Rm=550MPa，Rel+325MPa，0℃的沖擊功AKA=31J;復(fù)層Rm=450MPa，Rel=250MPa沖擊功AKA=8J。

(二)斷裂原因分析

該批換熱器所用不銹鋼復(fù)合鋼板的基層材料厚度分別為12mm、14mm、16mm、

18mm、20mm、22mm、24mm及30mm共8個規(guī)格，復(fù)層厚度均為3mm。

不銹鋼復(fù)合鋼板按文獻BⅡ級要求，采用爆炸復(fù)合，質(zhì)量等級為Ⅱ級。

制造時筒節(jié)縱向焊接接頭型式及尺寸見圖1。

斷口形貌描述:完全斷開的筒節(jié)的最大斷開寬度為150mm，斷開位置絕大部分位于將復(fù)合層刨削后的坡口根部，只有很少部分斷口位于母材，可以看出，裂紋已擴展至母材深處，這說明在校圓過程中產(chǎn)生了很大的應(yīng)力，且材料的的脆性較大。其斷口形貌，下端為復(fù)層一側(cè)，斷口光亮，呈現(xiàn)典型的穿晶(解理)脆性斷裂特征。

從斷口看，其剪切唇的厚度約為1mm(上端灰色層)。經(jīng)檢驗，未斷開筒節(jié)的裂紋同樣位于復(fù)合層刨削后的坡口根部，裂紋長度幾乎與縱向焊接接頭長度相等，其外露斷口特征與斷口形貌相同。

2、硬度檢驗及化學成分分析經(jīng)檢驗

母材最高硬度177HB，最低硬度136HB，材料的硬度值合格，因此，可排除母材含有硬脆相的可能。對其中1個斷裂筒節(jié)的基層取樣進行化學成分分析，結(jié)果見表2。與表1對照可知，其化學成分與供應(yīng)值非常接近，S、P含量也非常低。

3、力學性能及金相檢驗

對斷裂的4個筒節(jié)各取l塊試板制備試樣進行力學性能檢驗，結(jié)果見表3。

由于筒節(jié)斷裂是在基層焊接完成后的校圓階段發(fā)生，當時20臺換熱器的筒節(jié)全部卷制完成。因此，進一步的檢驗只能在簡體兩端的開孔位置取樣，筒體上開孔的最大直徑為φ250mm，故無法進行完整的力學性能試驗。取樣前重新調(diào)整排版圖，以便對不同的材料檢號取樣。

按不同材料檢號及規(guī)格，共進行了18組試樣的沖擊試驗。結(jié)果表明，與斷裂的2個筒節(jié)具有相同材料檢號的另外4個筒節(jié)的沖擊功全不合格，單值最高為42J，最低為17J。18組試驗中有10組合格，8組不合格，其中數(shù)量最大的(16+3)mm和(12+3)mm兩批鋼板試樣的沖擊功有合格的也有不合格的。此外，對厚度為(16+3)mm和(24+3)mm復(fù)合鋼板在不同部位取樣做沖擊試驗發(fā)現(xiàn)，同一張鋼板板頭位置試樣的橫向平均沖擊功幾乎是板中間部位試樣的3倍。對同一部位的縱、橫向沖擊韌性進行比較試驗，結(jié)果表明，縱向平均沖擊功大約比橫向平均沖擊功高1倍。

Rn的金相組織除帶狀組織明顯外，未見其它異常。晶粒度為8級。沖擊試樣的金相組織觀察表明，其珠光體呈網(wǎng)狀分布，這說明母體組織不均勻，表現(xiàn)為沖擊功相差較大(表3)。在掃描電鏡下觀測到的斷口形貌見圖4和圖5。

從斷口的低倍形貌可以看出，裂紋起源于圖4中的右側(cè)表面，即復(fù)層刨削后的坡口根部位置。從圖”

中也可看到這一點，且裂紋起始階段有明顯的撕裂現(xiàn)象，其微觀形貌為韌窩特征。其它區(qū)域主要為裂紋的快速擴展區(qū)，其微觀形貌為解理特征，宏觀上表現(xiàn)為如圖3中的光亮區(qū)域。

能譜分析結(jié)果也表明，裂紋起源于復(fù)層，擴展過程中又從復(fù)層穿入基層，最終導致斷裂。

4、制造工藝

對制造過程的調(diào)查分析認為:①筒節(jié)校圓時復(fù)層尚未焊接，制造工藝要求復(fù)層施焊前應(yīng)將基層坡口兩側(cè)大于等于10mm范圍內(nèi)的復(fù)層完壘剔除，但在實際加工過程中，由于各方面的原因，剔除深度總是很難達到要求，一般小于3mm，最小的不足2mm。剔除寬度也往往達不到要求，一般為4-7mm，該寬度正好處于埋弧焊的焊接熱影響區(qū)，這一區(qū)域組織粗大，性能較差。此外，由于復(fù)層剔除深度和寬度不夠，導致局部結(jié)構(gòu)尺寸變化大，使坡口根部存在應(yīng)力集中，電鏡觀察結(jié)果也證明了這一點。②施焊時的環(huán)境溫度控制不嚴，可能使材料產(chǎn)生脆性。

綜上所述，復(fù)合鋼板斷裂的主要原因是:①材料不合格。分析認為，沖擊功不合格與鋼板爆炸復(fù)合后的熱處理工藝以及執(zhí)行熱處理工藝過程中出現(xiàn)的某些偏差有關(guān)，如恒溫溫度或冷卻速度不均勻等，表現(xiàn)為其金相組織不均勻，有的區(qū)域珠光體呈正常的塊狀分布，而有的區(qū)域珠光體則呈網(wǎng)狀分布。相對于鐵素體，珠光體相的塑性韌性較低，若其連成網(wǎng)狀，則會降低母材組織的沖擊韌性。②校圓時復(fù)層未焊，復(fù)屢剔除深度和寬度不夠，坡口根部存在應(yīng)力集中。③施焊時的環(huán)境溫度較低，增加了材料的脆斷敏感性。

二、對復(fù)合鋼板焊接接頭斷裂的改進措施

通常情況下，不合格的材料將被判報廢。由于該批材料不合格的主要原因是爆炸復(fù)合后的熱處理工藝及其熱處理過程不當，其力學性能中僅O℃沖擊功不合格，金相組織觀察也未發(fā)現(xiàn)過燒等組織缺陷，因此，采用重新進行熟處理的辦法恢復(fù)其組織與睦能。

正火是將材料重新加熱到完全奧氏體化后空冷的熱處理工藝，熱處理后可獲得新的先共析鐵素體和珠光體組織，能切斷材料原有組知的遺傳性，消除原材料中的粗大組織。為此，進行了正火熱處理試驗。試驗結(jié)果表明，采用正火熱處理極大地改善了材料的沖擊韌性，其各項性能均滿足標準要求。

為使正火熱處理不降低405復(fù)層的耐腐蝕性能，在恒溫后的冷卻過程中，可使其快速通過敏化溫度區(qū)間。由于復(fù)層材料405中碳元素的質(zhì)量分數(shù)最高為0.037%，因此，在整個正火過程中，復(fù)層不發(fā)生相變，其組織性能也不會發(fā)生太大的變化。

根據(jù)試驗結(jié)果，對所有進行沖擊試驗不合格的筒節(jié)以及無法進行檢驗的筒節(jié)均進行了正火熱處理，正火熱處理的工藝參數(shù)曲線(參見圖表1)。

考慮到在正火熱處理試驗后，材料的抗拉強度已達到標準要求的最低抗拉強度。因此，在制定熱處理工藝時。將恒溫階段的溫度降低了15℃，以確保材料的強度符合標準要求。

對換熱器筒節(jié)的正火處理共進行了4爐，每爐帶2塊母材試板，試板從斷裂的筒節(jié)上切取。根據(jù)由隨爐試板制備的試樣所做的沖擊試驗結(jié)果，經(jīng)正火處理后筒節(jié)材料的沖擊功提高了2-5倍，取得了良好的效果。

按以上措施處理后的筒節(jié)，在校圓過程中未發(fā)生斷裂或開裂現(xiàn)象。換熱器已如期在現(xiàn)場安裝并投產(chǎn)，運行半年來，設(shè)備經(jīng)受住了耐壓試驗的檢驗和開工初期壓力波動的沖擊。

根據(jù)試驗結(jié)果，建議將(16MnR+405)復(fù)合鋼板的交貨狀態(tài)改為正火狀態(tài)。在復(fù)合鋼板爆炸焊接中，嚴格按標準規(guī)范要求執(zhí)行。用復(fù)合鋼板制造各種設(shè)備時，刨削復(fù)合層要徹底。控制焊接環(huán)境溫在5℃以上，以避免材料產(chǎn)生低溫脆斷。