法蘭焊縫裂紋產生原因和整改方案

張立朋,2

(1.上海交通大學材料科學與工程學院,上海 200240;2.必維國際檢驗集團,上海 200011)

法蘭焊縫裂紋產生原因和整改方案

張立朋1,2

(1.上海交通大學材料科學與工程學院,上海 200240;2.必維國際檢驗集團,上海 200011)

該文根據作者在必維國際檢驗集團(BUREAU VERITAS)工業與設施事業部的工作經驗,以實際的水泥磨檢驗中的齒圈法蘭焊接為例,通過分析這些缺陷形成的原因,參照美國焊接標準(AWS)等諸多標準中的焊接要求,經過不斷的工藝改進,設備加工過程中的缺陷得到了有效的控制,保證了設備的質量。

法蘭焊接; 缺陷; 工藝改進

在大型設備的制造中,法蘭連接是一種最常見的連接形式。由于在設備的運轉過程中,法蘭將承受較大的扭矩,因此對法蘭與筒體的焊接也就提出了很高的要求。在法蘭與筒體的焊接過程中,焊縫中經常會產生裂紋等缺陷[1]。

1 裂紋缺陷產生的原因

水泥磨機的齒圈法蘭,在金工車加工完畢以后,進行最后驗收檢驗時發現在齒圈法蘭焊縫處存在垂直于焊道的微小裂紋,且數量較多。現就對裂紋產生的原因進行分析。

首先,以原材料檢驗為出發點,分析缺陷的形成是否與原材料有關。齒圈法蘭和磨機筒體均采用Q245R材料。Q245R屬于普通碳鋼,焊接性能良好,并且通過對原材料物理化學性能的復檢,材料本身沒有發現質量問題,故排除材料本身引起的裂紋缺陷。

其次,對焊接材料進行檢查。此次焊接采用的焊接方法是SMAW,焊接材料為J507焊條。在焊接齒圈法蘭前,焊條經過了恒溫350℃、時間2 h以上的烘干,并且在100℃進行了保溫。在焊接時,焊條也是放在保溫桶中進行持續保溫,因此也排除了焊條未烘干而引起焊接裂紋的情況。

因此,我們將重點放在焊接工藝上,重點考慮是否是焊接工藝上出了一些問題。

焊接齒圈法蘭采用的是SMAW,采用SMAW必然存在著焊接周期長、焊接溫度不均勻、焊接接頭多的問題。齒圈法蘭并非在轉盤上勻速旋轉進行加熱,而是由多人采用手工進行加熱的方法。這必然導致某部分焊縫的預熱溫度高,某部分焊縫的預熱溫度低,這將導致整圈的焊道冷卻速度不一致,存在溫度差,在焊道中存在著較大的焊接縱向殘余應力。尤其是在每兩條焊道的接頭處,這個位置的應力尤其巨大。同時,SMAW的焊接周期較長,焊接一個齒圈法蘭要用三天時間,要進行重復加熱,這必然會使之前已經焊接好的焊道再次膨脹,而其中又存在較大的縱向殘余應力,從而導致再次冷卻后產生垂直于焊道的微小裂紋。

2 工藝改進

2.1 焊接工藝

以200 mm厚鋼板為例,鋼板為普通碳素鋼Q235,具體焊接工藝如下:

1)開破口:厚鋼板需要雙面開V型破口[2],具體參數見表1。

2)焊前清理:在焊接前,清除坡口及兩側30～50 mm范圍內的氧化皮、油脂、鐵銹、水分、雜質等。

3)焊條烘干:根據相關焊接標準的要求,堿性焊條在使用前應進行300～350℃烘干或遵照焊條制造商規定,保溫2 h。在進行焊接及焊接過程中,確保焊條放在100℃左右的保溫桶中。

4)預熱及層間溫度的控制:由于鋼板厚度達到了200 mm,所以預熱是必要的,根據鋼板中C含量及考慮其厚度。堿性焊條焊接及氣保焊的焊接預熱溫度約為180～200℃,并保證預熱均勻(可以考慮采用電加熱),焊接過程中保持層間溫度200～400℃。如焊接中斷,需要重新進行預熱。

5)焊接參數(熱輸入的控制):具體焊接參數要求,見表2。

6)焊接操作:多層多道焊,窄焊道薄焊層,除了立焊位置外不允許擺動。立焊時,擺動距離最好不超過焊條直徑的3倍。

7)為了確保焊接質量,建議在焊接完成整個板厚的1/4、1/2時,各進行一次中間UT探傷,以便及時發現問題并進行返修,以保證整個焊接質量。但一般返修2次后,依然出現缺陷,則暫停返修,仔細分析原因后再進行。返修時,預熱溫度應比正常焊接時高30～50℃。

2.2 機加工要求

在上機床金加工時,對齒圈法蘭處粗加工留1 mm余量,再增加一道中間MT檢驗。若有缺陷先進行處理后,再精加工。

3 返修工藝

1)使用臥車將法蘭切除,直至熱影響區。接著測量筒體的外徑,并做MT檢驗。

2)制作2個半圓法蘭。根據筒體外徑來配車法蘭內徑,并按照圖紙及AWS焊接標準要求車焊接坡口。

3)預熱焊接區域100 mm范圍內到90～110℃,保證層間溫度100～150℃,并根據焊接工藝持續加熱保證溫度。從法蘭兩側同時焊接,保證兩側熱輸入相同。使用AWSE7015焊條。打底使用3.2 mm焊條, 100～120 A電流;然后使用4 mm焊條,150～170 A的電流。焊接完成后,進行保溫和緩冷。

4)筒體上臥車,根據2端滑履調整,然后車法蘭外徑。在還有0.5～1 mm余量的時候對焊縫做MT檢驗。車到最終尺寸后,再對焊縫做MT檢驗,并測量法蘭軸向和徑向的跳動尺寸。

5)在滾輪上鉆法蘭連接孔。

4 結 語

在機械設備加工過程中,法蘭的焊接是一個很復雜的過程。在焊接過程中需要考慮各方面的因素,才能達到良好的焊接質量。以上工藝是在實際生產工作過程中對法蘭焊接的一些經驗總結,希望在當今設備重型化的過程中,能對重型設備生產廠家的生產提供幫助。

[1] GB11345,焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級法[S].

[2] AWS D1.1/D1.1M:2004,Structural Welding Code-Steel[S].

[3] 丁春林,張 驊,張國防,等.新型混凝土增強纖維基本性能特征分析[J].新型建筑材料,2008,35(3):14-16.

[4] 張立朋.機械設備加工過程中厚板焊接工藝[J].建材世界,2012,33(4):137-138.

[5] 谷亞新,翟玉春,劉運學,等.聚苯胺/膨潤土導電性功能填料的研制[J].新型建筑材料,2008,35(4):31-33.

The Cause of Flange Welding Cracks and the Plan of Repair

ZHANG Li-peng1,2
(1.School of Materials Science and Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China; 2.Bureau Veritas,Shanghai 200011,China)

This dissertation is based on the writer's experience in Bureau Veritas industry and facilities division,and takes the gear flange welding inspected during examination as an example,analyzes the cause of those flaws,refering to welding requirements specified in standards like AWS and tries to effectively control the flaws during machining by continuous process improvement,to ensure the quality of equipment.

flange welding; defect; process improvement

2014-05-15.

張立朋(1984-),工程師.E-mail:zlp0504@163.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.019