液化石油氣鋼瓶筒體縱縫焊接終端裂紋的控制

路書(shū)芹

摘要：本文以液化石油氣鋼筒體縱縫焊接為例，詳細(xì)地研究和分析了其終端裂縫產(chǎn)生的原因，并從焊縫溫度場(chǎng)的變化、結(jié)構(gòu)受力情況及焊接熱能量輸入等方面分析筒體縱焊縫終端裂紋產(chǎn)生的原因，制定預(yù)防措施和焊接工藝。

關(guān)鍵詞：氣體保護(hù)焊 拘束應(yīng)力 焊接變形 終端裂紋 焊接熱輸入 焊接熱裂紋

1 概述

1965年，哈爾濱國(guó)營(yíng)建成機(jī)械廠(chǎng)生產(chǎn)出我國(guó)第一只液化石油氣鋼瓶，自此液化氣作為一種清潔高效的能源，逐漸廣泛用于我們的日常生產(chǎn)生活中。隨著液化石油氣使用越來(lái)越普及，由液化石油氣引發(fā)的安全事故也越來(lái)越多，其中由于生產(chǎn)制造原因，鋼瓶焊接過(guò)程中，存在裂紋、氣孔、夾渣等質(zhì)量缺陷，發(fā)生泄露導(dǎo)致災(zāi)難性后果的爆炸事故不勝枚舉，在我國(guó)，市場(chǎng)銷(xiāo)售YSP118型液化石油氣鋼瓶主要使用于飯店、賓館等公共場(chǎng)所，一旦出現(xiàn)事故，就會(huì)造成重大傷亡，YSP118型液化石油氣鋼瓶由兩只封頭和筒體通過(guò)焊接連接在一起，鋼瓶的形狀系數(shù)決定了筒體縱焊縫軸向應(yīng)力比環(huán)向應(yīng)力大得多，所以縱縫的焊接尤為重要。

2 液化石油氣鋼瓶行業(yè)筒體縱縫焊接終端裂紋

液化石油氣鋼瓶行業(yè)筒體焊接基本采用埋弧自動(dòng)焊焊接方法，埋弧自動(dòng)焊因?yàn)楹竸┎牧系木窒扌?，容易產(chǎn)生氣孔、夾渣等質(zhì)量缺陷，近年逐漸被氣體保護(hù)焊接取代，氣體保護(hù)焊接具有焊接效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，焊接方法的改變，焊接工藝需要進(jìn)一步的探索，以往很多文獻(xiàn)和資料，介紹的都是采用埋弧自動(dòng)焊工藝時(shí)如何防止筒體縱焊縫終端裂紋，關(guān)于氣體保護(hù)焊焊接筒體縱縫工藝基本空白，本文通過(guò)分析和試驗(yàn)，制定采用氣體保護(hù)焊工藝情況下，如何防止縱焊縫終端裂紋的工藝。

2.1 終端裂紋。終端裂紋是指筒體縱焊縫焊接接頭的終端安裝熄弧板，焊接末段，在熄弧板進(jìn)行弧坑處理完成后，在接頭終端附近焊縫中心部位發(fā)生的縱向裂紋。

2.2 裂紋特點(diǎn)。裂紋全部出現(xiàn)于焊縫終端并延伸至引弧板，經(jīng)X射線(xiàn)檢測(cè)，裂紋長(zhǎng)度為30-60mm，去除引弧板后，終端裂紋長(zhǎng)度為10-40mm，裂紋沿焊接方向發(fā)生于焊縫中間部位，顯微觀(guān)察裂紋邊緣呈現(xiàn)表面氧化而導(dǎo)致顏色變黑，證明裂紋出現(xiàn)在亞固相溫度區(qū)間，也就是焊縫熔池由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)時(shí)高溫結(jié)晶而成。

3 裂紋原因分析

3.1 裂紋的形成機(jī)理。焊縫金屬的結(jié)晶不是瞬時(shí)完成的，而是一個(gè)在液態(tài)金屬中不斷形成和長(zhǎng)大的過(guò)程。焊縫金屬結(jié)晶與溫度聯(lián)系較為緊密。當(dāng)液態(tài)金屬的溫度逐漸下降至與固相線(xiàn)相重合時(shí)，焊縫金屬即開(kāi)始結(jié)晶，并持續(xù)進(jìn)行一段時(shí)間。在結(jié)晶時(shí)，焊縫金屬的溫度會(huì)不斷降低，同時(shí)其形態(tài)也會(huì)出現(xiàn)一系列變化，焊縫金屬先變?yōu)橐簯B(tài)，再變?yōu)橐汗袒旌蠎B(tài)、固液混合態(tài)，最終成為固態(tài)，至此整個(gè)結(jié)晶過(guò)程結(jié)束。在上述四個(gè)變化階段中，有一段時(shí)間內(nèi)焊縫的塑性降至最低值，在這溫度區(qū)間內(nèi)固體結(jié)晶所占比例較大，而尚未完全結(jié)晶的液態(tài)金屬零散分布于已結(jié)晶的固態(tài)結(jié)晶體之間。在此情況下，金屬體受自身拉力作用，加之其本身抗變形較弱，容易導(dǎo)致其變形集中產(chǎn)生于液態(tài)薄膜部分，導(dǎo)致晶體在界線(xiàn)位置出現(xiàn)裂縫。

3.2 影響裂紋的因素。根據(jù)裂紋產(chǎn)生的機(jī)理分析可以知道，影響裂紋的本質(zhì)因素有兩大類(lèi)，即冶金因素和應(yīng)力因素。冶金因素主要是焊縫金屬中硫、磷和碳的含量以及熔合比，應(yīng)力因素包括焊接應(yīng)力的控制以及焊接前內(nèi)應(yīng)力的控制。

3.3 材料分析。筒體鋼板材料為HP295專(zhuān)用焊瓶鋼，焊絲牌號(hào)ER50-6經(jīng)化驗(yàn)化學(xué)成分如下：

根據(jù)碳當(dāng)量計(jì)算公式C當(dāng)量=[C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15]*100% 計(jì)算碳當(dāng)量值為0.25%，可見(jiàn)焊接裂紋傾向性小，焊接性好。拉伸、彎曲力學(xué)性能試驗(yàn)合格，焊絲牌號(hào)為ER50-6，經(jīng)檢驗(yàn)化學(xué)成分符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，筒體母材、焊接材料的選擇不是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的原因。

3.4 應(yīng)力分析。筒體縱焊縫的焊接主要有兩方面的應(yīng)力：一是筒體卷圓時(shí)的加工應(yīng)力，筒體由長(zhǎng)方形鋼板經(jīng)過(guò)卷圓機(jī)卷制而成，受到加工精度的影響，定位焊時(shí)，存在強(qiáng)制組裝現(xiàn)象，導(dǎo)致在定位焊道存在較大的拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力。二是焊接時(shí)產(chǎn)生的焊接應(yīng)力。焊接時(shí)焊件受到不均勻加熱并使焊縫區(qū)熔化，焊縫及熱影響區(qū)鋼板熱膨脹受到周?chē)鋺B(tài)材料的制約，產(chǎn)生不均勻的壓縮塑性變形。冷卻過(guò)程中，熔池凝固，焊縫金屬收縮也因?yàn)橹萍s而產(chǎn)生收縮拉應(yīng)力和變形。筒體越長(zhǎng)，焊接越接近終端時(shí)，各種應(yīng)力疊加使得終端的定位焊焊道應(yīng)力增加值迅速增大。在應(yīng)力作用下，熔池金屬發(fā)生塑性變形，就沿晶界發(fā)生開(kāi)裂，產(chǎn)生裂紋缺陷。

3.5 焊接熱輸入分析。在進(jìn)行焊接時(shí)，由于氣體保護(hù)焊接法的熱輸入量較大，其熔深和熔敷金屬量都相應(yīng)增大，同時(shí)其熔池的凝固速度和寒風(fēng)冷卻速度也隨之變緩。這就導(dǎo)致焊接時(shí)晶粒顆粒偏粗，同時(shí)出現(xiàn)偏析情況，大大增加了出現(xiàn)熱裂紋的可能性。另外，由于焊縫在橫向的收縮度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其焊接間隙的張開(kāi)度，因此終端部位承受的橫向拉伸力也相應(yīng)增大。

3.6 熄弧板作用和影響。在焊接時(shí)，焊縫終端熄弧板具有極其重要的作用，主要表現(xiàn)在：一是保證了焊縫順利成形，它有效地調(diào)節(jié)和控制了焊接進(jìn)度，只有當(dāng)熔池尾部運(yùn)行至熄弧板位置時(shí)整個(gè)焊接活動(dòng)才會(huì)停止。二是起到了焊接拘束的作用。在加熱時(shí)，只有當(dāng)最后一個(gè)定位焊點(diǎn)溫度達(dá)到最高值時(shí)，其所受拘束力才會(huì)充分釋放，這就使得焊縫在水平和垂直方向都出現(xiàn)了一定程度的變形，導(dǎo)致筒體在卷圓時(shí)的溫度承受力發(fā)生變化。此時(shí)，終端定位焊道已完全熔化，從而減弱焊縫周?chē)木惺Γ斐珊缚p強(qiáng)度不足出現(xiàn)裂縫。

4 預(yù)防和減少終端裂紋產(chǎn)生的具體措施

4.1 提高卷圓加工精度。卷圓后，筒體間隙控制在0-10mm。為減少組裝后的應(yīng)力，技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要適當(dāng)增加定位焊點(diǎn)。同時(shí)，為確?？v縫端部位的靈活性，還應(yīng)適當(dāng)控制其焊縫長(zhǎng)度，使其長(zhǎng)度在50mm及以上，并保證焊縫厚度適宜，不存在質(zhì)量缺陷。

4.2 適當(dāng)?shù)丶哟笙ɑ“宓某叽?。熄弧板必須有足夠的尺寸，厚度宜與焊件相同，采用氣體保護(hù)焊接工藝時(shí)，熄弧板長(zhǎng)度適當(dāng)增加20mm。

4.3 嚴(yán)格掌握焊接過(guò)程中的熱量輸入。在焊接時(shí)，技術(shù)人員要嚴(yán)格掌握整個(gè)筒體焊接過(guò)程中的熱量輸入，這一方面有利于保證焊頭化學(xué)性能的充分發(fā)揮，另一方面還可以起到防止裂紋的重要作用。一般地，在焊接過(guò)程中，系統(tǒng)焊接電流與焊接熱量輸入有直接關(guān)系。因此，技術(shù)人員必須嚴(yán)格控制焊接過(guò)程中的熱量輸入值，以保證整項(xiàng)焊接工作的安全性和穩(wěn)定性。

4.4 根據(jù)需要調(diào)整熔池形狀，及時(shí)把控焊縫形成系數(shù)值。除熱量輸入值之外，熔池形狀和焊縫的形成系數(shù)值也與焊縫的產(chǎn)生具有直接關(guān)系。因此，技術(shù)人員還要在焊接時(shí)，根據(jù)實(shí)際需要及時(shí)調(diào)整熔池形狀，并嚴(yán)格掌控其焊縫的形成系數(shù)，以防止裂紋的產(chǎn)生，影響筒體使用壽命。

5 試驗(yàn)及結(jié)果分析

5.1 筒體焊接時(shí)分別采用不同的組裝工藝和焊接工藝進(jìn)行焊接，結(jié)果如下：

5.2 統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析：采取預(yù)防措施，減小卷圓時(shí)的加工應(yīng)力，增加熄弧板長(zhǎng)度，提高定位焊質(zhì)量，焊接時(shí)采用降低電流和電壓，減少熱輸入，可有效防止終端裂紋的出現(xiàn)。

6 結(jié)論

液化石油氣鋼瓶筒體縱焊縫的終端裂紋一直是常見(jiàn)的質(zhì)量缺陷，多年來(lái)一直沒(méi)有得到很好的解決，尤其是采用氣體保護(hù)焊代替以往埋弧自動(dòng)焊焊接方法以來(lái)，終端裂紋出現(xiàn)比例進(jìn)一步增大，本文通過(guò)分析和焊接試驗(yàn)，找到了導(dǎo)致終端裂紋的主要原因是應(yīng)力和溫度場(chǎng)二者共同作用的結(jié)果，實(shí)踐證明，通過(guò)改進(jìn)生產(chǎn)工藝，減小焊接過(guò)程中的應(yīng)力影響，適當(dāng)加大熄弧板長(zhǎng)度，嚴(yán)格控制焊接熱能量的輸入，就能有效防止終端裂紋的出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]方洪淵.焊接結(jié)構(gòu)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.4.

[2]劉會(huì)杰.焊接冶金與焊接性[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.3.

[3]朱錫山，龔華，華金德，胡述超，王業(yè)民，徐承堯.簡(jiǎn)述鋼筒體縱縫斜角超聲波探傷[J].焊接技術(shù)，2012（11）.endprint