低合金耐熱鋼焊接裂紋的探討

李陽

(保定市特種設備監督檢驗所，河北 保定)

一、焊接裂紋的形態和類型

1.焊接裂紋的形態

低合金耐熱鋼焊接時易產生裂紋,通過檢查發現這種裂紋常以縱向的方式存在于焊縫中間及熔合線處,有時也以橫向的方式不規則地分布在整條焊縫中,嚴重時延伸到母材上。

2.焊接裂紋所屬類型

根據延遲裂紋的機理，氫由金屬內部向外擴散的過程中，會遇到某些"陷阱"（如顯微雜質和微孔等），從而發生聚集，并由原子狀態轉變為分子狀態，形成較大的內應力，從而促使這些原有微觀缺陷的地方不斷擴大，直至形成微觀裂紋。從焊接過程中發現有較多的針狀氣孔現象來看，可以表明焊縫中的氫含量已處于飽和狀態，而焊后的去氫處理又不充分，從而導致焊縫產生延遲裂紋。而從裂紋的擴展方向來看是由焊縫向兩側母材方向擴展，這與氫的擴展方向呈一致性，由此說明裂紋的性質屬于冷裂紋。

這條焊縫的焊接持續了兩天多，在整個焊接過程中均沒有發現裂紋，只是在整條焊縫焊妥后的第二天才發現，隨著時間的推移，裂紋有擴展的趨勢。這就進一步說明焊接裂紋屬冷裂紋。

另外，從所發現的焊接氣孔來看，焊接表面的氣孔呈喇叭口形，且氣孔的四周有光滑的內壁。隨后的機械加工過程中發現焊縫內部也存在氣孔,多呈小圓球狀,這與氫氣孔的特征完全吻合,這說明了焊縫中存在大量的過飽和氫。由于氫在不同溫度和不同組織中的溶解度差異很大，這樣的焊接接頭冷卻時，析出的氫就會向周圍的熱影響區擴散，待組織轉變后就在熱影響區聚集相當多的氫。當這里存在顯微缺陷如原子空位、空穴等，氫原子就在這些地方結合成分子狀態的氫，在局部地區造成 很大的壓力，加上組織轉變時的體積膨脹而產生的巨大組織應力，促使鋼發生破壞，從而形成氫延遲裂紋。

二、原因分析

1.母材及焊接材料化學成分的影響

根據碳當量的計算公式算出母材的碳當量為0.941%，焊絲的碳當量為0.92%，均大于0.6%。因此，無論是母材還是焊材，其淬硬傾向嚴重，焊接性比較差，焊接時需要采取較高的預熱溫度及嚴格的工藝措施，否則易產生裂紋。

2.大而厚的結構形式對焊接應力的影響

(1)對于大而厚的容器，由于結構本身鋼性大，焊接過程易產生相當大的焊接應力。焊接時焊件上溫度呈不均勻的分布，即在熱源中心部分溫度最高，離熱源越遠則溫度越低。焊接時熔池的平均溫度在2000℃以上，它被周圍相對處于冷態的金屬包圍而受到約束，不能自由伸長，因而產生相當大的內應力，加上結構鋼性大，不能變形，易導致裂紋產生。

(2)焊縫金屬在冷卻過程中體積發生收縮，尤其是大厚度焊縫，焊縫中填充金屬多，收縮量大。這種收縮也會產生較大的收縮應力而導致裂紋的產生。

(3)焊接時，金屬加熱到很高溫度，加上結構大而厚，散熱快，因此，隨后的冷卻溫度特別快，金屬內部組織會發生很大的變化。由于各種金屬組織比重不同，冷卻后體積變化也不同，這種體積變化也受到周圍未經組織變化金屬的約束，其結果使金屬內部產生較大的組織應力，也會導致裂紋的產生。

3.焊接工藝的影響

(1)焊接線能量的影響

由于結構本身大而厚，加上實際焊接生產中一般都選用較大的焊接線能量，這樣在熱影響區由于容易產生過熱組織使這部分金屬晶粒粗大，降低了焊接接頭的抗裂性能而導致裂紋的產生。

(2)預熱溫度的影響

低合金耐熱鋼預熱溫度為200-250℃左右，可減緩焊接時的溫度應力，防止冷裂紋的產生。因此，嚴格地選擇預熱溫度及預熱方法非常重要。但是施工現場由于條件的限制，預熱溫度控制得很不準確，預熱時不控制加熱速度，使得外表面很熱而內壁還是冷的，這樣造成測量預熱溫度時的虛假現象，從而容易造成較大的溫差應力導致裂紋的產生。

[1]JB4708-2000.鋼制壓力容器焊接工藝評定.

[2]JB4709-2000.鋼制壓力容器焊接規程.

[3]JB4744-2000.鋼制壓力容器產品焊接試板的力學性能檢驗.

[4]GB150-1998.鋼制壓力容器.