耐熱不銹鋼焊接返修裂紋的原因分析和解決措施

古朋贊，盛水平 ，林文賢，邢 璐

（1.溫嶺市錢江化工機械有限公司，浙江 溫嶺 317500；2.杭州市特種設備檢測院，浙江 杭州 310003）

0 前言

2012年，某公司在制造一批S31008不銹鋼容器的過程中，在筒體縱縫焊接完工后進行100%X射線檢測時，局部發現條狀夾渣，焊工對缺陷進行打磨、補焊返修后，重新射線檢測發現裂紋，有的經屢次返修后在附近不同的地方出現裂紋。

不銹鋼壓力容器直徑φ1400 mm，筒體長度2000 mm，厚度16 mm，鋼板符合GB 24511-2009《承壓設備用不銹鋼鋼板和鋼帶》。牌號為06Cr25Ni20，按GB/T 20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼材牌號和化學成分》中統一數字代號為S31008，化學成分和力學性能分別如表1、表2所示。焊接方法為焊條電弧焊，采用Y型坡口，背面清根。焊條選擇國內名牌廠家生產的E310-16，牌號為A402，直徑φ4 mm，符合標準GB/T 983-1995《不銹鋼焊條》，且按NB/T47018.2-2011《承壓設備用焊接材料訂貨技術條件》訂貨的奧氏體不銹鋼焊條，熔敷金屬實際化學成分及力學性能分別如表3、表4所示。焊工持相應焊接資質證，采用經評定合格的焊接工藝。焊接工藝評定采用厚度為16 mm平板對接試件，焊接工藝參數為：焊接電流145 A，焊接速度大于等于15 cm/min，層間溫度控制在100℃以下，層間清理干凈，正反共焊接八層；焊后表面檢驗無缺陷，X射線檢測按JB4730.2-2005評定Ⅰ級合格，抗拉強度580 MPa，側向彎曲合格，按NB/T 47014-2011焊接工藝評定合格。采用同樣的工藝焊接產品時出現夾渣缺陷，特別是出現夾渣缺陷之后的返修又出現了裂紋，而且需要超次返修則應該引起足夠的重視。

表1 S31008鋼板實際化學成分%

表2 S31008鋼板力學性能

表3 焊條E310-16化學成分%

表4 焊條E310-16未經稀釋的焊縫金屬力學性能

1 返修裂紋形成的原因分析

返修裂紋有的呈縱向位于焊縫中心，有的在近縫區之前沒有缺陷的部位重新出現微小裂紋，在X射線底片上如頭發絲一般，且呈彎曲狀，長約1～2 mm；還有的呈長條狀，與焊縫平行。對于裂紋形成的原因可以從三個方面分析：一是母材；二是實際施焊工藝；三是裂紋形態和產生時機。

1.1 對母材的分析

S31008的合金成分中Cr、Ni含量高，屬于25-20型耐熱不銹鋼，金相組織為單一奧氏體，無磁性，具有較高的熱強性和優良的耐腐蝕性。它的物理特性是熱導率小，為碳鋼的1/3，線膨脹系數大，是碳鋼的1.4倍，因此在焊接局部加熱和冷卻條件下，焊接接頭高溫停留時間較長，焊縫金屬及近縫區在高溫承受較高的拉伸應力與拉伸應變，而奧氏體不銹鋼焊縫，通常聯生結晶形成方向性很強的粗大柱狀晶組織，在凝固結晶過程中，一些雜質元素如S、P易在晶間形成低熔點的液態膜，造成焊接凝固裂紋。對于奧氏體不銹鋼母材，當上述雜質元素的含量較高時，易產生近縫區的液化裂紋，這兩種裂紋都屬于熱裂紋。奧氏體不銹鋼的焊接性優于其他不銹鋼，在焊態下奧氏體不銹鋼接頭也有較好的塑性和韌性，且對氫脆不敏感，通常不會產生延遲裂紋[1-3]。

2.2 焊接與返修工藝

在焊接工藝評定試件時，焊接參數小，層間溫度底，試件處于自由變形狀態，工藝評定試件焊縫短，焊接應力小，操作工技術熟練、態度認真，坡口清理仔細，焊接接頭未出現任何缺陷。正式焊接產品時，焊接工藝控制得好，母材和焊材質量合格，裂紋也不容易出現，但受坡口情況及焊工手工操作的限制，還是會出現條狀夾渣等其他焊接缺陷。在焊接返修時，用碳弧氣刨清除缺陷并打磨干凈后，連續焊接多層，如果不注意層溫的控制，則容易造成焊縫過熱，加上拘束應力，在焊縫中心及近縫區出現裂紋。為此，對鍋爐壓力容器從焊接工藝評定與焊接工藝、焊接材料、施焊過程、焊工培訓、焊接檢驗、焊縫返修等6個環節進行質量控制，焊縫返修一般采用焊條電弧焊進行，這是由于焊條電弧焊具有操作方便、位置適應性強等特點[4]。

1.3 裂紋形態及產生時機

結合對母材和返修工藝的分析，從返修X射線底片的裂紋形態來看，返修焊縫中心處裂紋多數很細小，走向呈縱向，這屬于典型焊接熱裂紋的一種，在凝固、結晶時出現裂紋，即凝固裂紋，也稱結晶裂紋；返修時在鄰近的熱影響區焊趾處或焊道下出現的細若發絲、稍帶彎曲形狀的則是液化裂紋。

2 提出解決方案與實施

通過以上分析，可以判斷裂紋性質為焊接熱裂紋，而焊接熱裂紋的控制主要應從以下方面考慮。

2.1 控制焊縫金屬成分

對于單相奧氏體而言，成分控制中一個極為重要的環節就是限制有害雜質的含量，尤其是嚴格限制硫、磷含量。硅是非常有害的雜質，鈮也促使熱裂，因為硅和鈮均可形成低熔點共晶。

本次產品母材和焊材均是符合相關標準的，母材及焊材中硅含量均小于等于1%，硫、磷等雜質限量也能得到保證，且都不含鈮，這一點在一次焊接完工后沒有出現裂紋缺陷得以驗證。但返修后出現裂紋就可能與返修清理是否干凈有關，因此返修操作要求碳弧氣刨后，殘渣打磨干凈，并采用不銹鋼專用的鋼絲刷清理，以防止有含雜質的浸入，影響焊縫金屬成分。

2.2 調整焊接返修工藝

焊接工藝的影響是多方面的，復雜的可選擇熟練的焊工、限制過熱、控制成形系數、減小熔合比、降低拘束度等手段[5-6]。

焊條電弧焊時焊工技術是焊接質量的重要影響因素，應挑選技術熟練的焊工。熔池過熱易促使熱裂，應降低熱輸入，采用盡量小的焊接電流，在保證熔合良好的情況下加快焊接速度，每一層的焊接接頭相互錯開、嚴格控制層間溫度，這樣可以減小晶粒度和降低應變量，減小結晶裂紋傾向，同時縮小固相近縫區的熱裂敏感區的，從而減小焊接接頭熱裂傾向。焊縫成形系數即熔深和熔寬之比（常用F表示），F值越大越易于出現熱裂紋，因此，返修時應注意控制焊縫成形系數，熔深不能大，尤其注意避免出現梨形焊道。通常情況下，焊材比母材有著更低的雜質含量，減小熔合比也就是減小母材稀釋率，有利于防止焊接熱裂紋。減小熔合比的措施通常也是降低焊接電流。

降低拘束度可以降低焊接時的應力，有利于減少裂紋發生的概率。實際中可以采取的措施有控制裝配間隙、改進裝配質量等，但對于返修尤其是多次返修的焊縫，裝配質量通常無從改進，除非整條焊縫刨開重新施焊。此時能做的就是采取有效措施降低焊接殘余應力，這非常關鍵。

降低焊接殘余應力的基本原理是通過某種措施作用于焊縫及近縫區，使其產生適量的塑性變形，從而達到松弛殘余應力的目的。消除和降低焊接殘余應力的方法有熱處理法、振動法、捶擊法、拋丸法、機械拉伸法等。錘擊法是一種非常有效地消除焊接應力的方法，它不僅可以有效地降低焊接殘余應力，甚至可以在錘擊處理金屬表面及一定深度范圍內形成壓應力區，從而改變焊接區的應力狀態。在一些實際應用中，焊接殘余應力的消除甚至可以達到50%以上。與其他消除殘余應力的方法相比，錘擊法可以節省能源，降低成本，提高效率，是在施工過程中即可實現的工藝措施[5-7]。錘擊既可以消除應力，還可以改善焊縫的性能。錘擊可起到對鑄態焊縫的再鍛造的作用，使焊縫由鑄態變為準鍛態，使其韌性和硬度分別提高了30%和15%，其機制是錘擊改善了晶粒的形態，消除了鑄態缺陷，增加了位錯密度[8]。采用球面錘頭單次錘擊時，錘擊部位的殘余拉應力值急劇降低，錘擊有效范圍位于接觸區域附近。在一定的沖擊能量范圍內，沖擊能量越大，消應力效果越顯著。沖擊能量一定時，隨著錘頭端面曲率半徑增加，接觸區擴大，消應力范圍增加，但消除應力的效果有所降低[9]。

2.3 返修實施

本次返修的焊縫位于丁字口的環焊縫處，返修時根據刨槽大小，選擇直徑φ3.2的焊條，這樣可使焊接電流更小，達到110 A，焊接熱輸入更低，每層焊肉盡量薄。返修前用尖的榔頭用力錘擊坡口周圍及焊縫中心，焊接過程中每焊一層都要錘擊焊縫和收弧處，然后用冷的濕毛巾敷或直接用冷水潑在焊接接頭周圍及背面，加快焊接焊頭冷卻速度，待水分干后再焊下一層，且層間溫度不超過60℃。采取以上措施后，超次返修焊縫拍片均一次合格。

3 結論

單一奧氏體不銹鋼焊接時如果不能有效避免焊接缺陷，焊后對這些缺陷進行返修時則極易出現焊接熱裂紋，究其原因是奧氏體材料導熱差，且返修處應力比一次焊接時應力大，多次返修則應力更大，多層焊接時即使層間溫度得到有效控制，焊接時輸入的熱量加上拘束應力，則足以在焊縫區或熱影響區出現熱裂紋。

控制熱裂紋的措施除了焊工、焊縫成形以外，最重要的就是溫度和應力，當溫度也能得到有效控制后，應力就是最主要的原因，這一點在多次返修易出裂紋特別是縱縫和環縫相交的丁字口附近最易出現，返修難度大，足以說明應力對熱裂紋的影響。

嚴格控制溫度，而返修后探傷仍然發現裂紋，返修焊接時每層都很薄，且焊接過程中每焊完一層都仔細檢查，并沒有發現裂紋，說明該裂紋產生于前一道焊縫中，屬液化裂紋或失延裂紋，可見此處焊接殘余應力相當大。再次返修刨除缺陷后，利用奧氏體鋼的高塑性對坡口周圍及每一層焊后的焊縫用力錘擊，并控制層間溫度，焊后經拍片合格，說明采取的措施是有效的，而且這些措施需要綜合使用。

[1]中國機械工程學會焊接分會.焊接手冊[M].北京：機械工業出版社，2003.

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