BHW35鍋筒縱、環焊縫焊接缺陷分析及控制

周麗萍

(太原鍋爐集團有限公司，太原 030008)

BHW35鍋筒縱、環焊縫焊接缺陷分析及控制

周麗萍

(太原鍋爐集團有限公司，太原 030008)

BHW35鋼淬硬傾向顯著，容易冷裂，提出了預熱和焊后熱消氫處理是防止冷裂紋產生的有效措施。通過對某公司鍋筒縱、環焊縫焊接常見缺陷分析，說明合理的焊接工藝和焊接工藝條件保證是獲得無缺陷優良接頭的前提條件。

BHW35；冷裂紋；預熱；后熱消氫；焊縫返修

0 引言

BHW35鋼是西德研制的，該鋼合金元素設計合理、組織穩定，具有良好的綜合力學性能和工藝性能，可用于制造高壓、超高壓和亞臨界鍋爐的鍋筒。

1 BHW35鋼的性能

BHW35鋼板正火溫度為920～940 ℃，回火溫度610～640 ℃。金相組織為貝氏體和少量鐵素體[1]。化學成分及力學性能見表1[2]。

表1 BHW35鋼板化學成分(92 mm) %

2 BHW35鋼材料焊接性分析

利用美國焊接學會(AWS)推薦的公式計算碳當量[3]： CE(AWS)=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+(Cu/13+P/2) =0.59%(CE>0.5%)。BHW35鋼淬硬傾向顯著，容易冷裂，焊接時必須嚴格控制焊接熱輸入和采取預熱、后熱處理等工藝措施，以防止冷裂紋的產生。

已有插銷試驗數據表明，BHW35鋼在預熱150 ℃下焊接與不預熱焊接相比，最高溫度至150 ℃的冷卻時間t150長10倍，延長了800～500 ℃的冷卻時間t8/5，預熱、后熱插銷臨界應力比不預熱高3～4倍，熱影響區金相組織和硬度也發生相應的變化(不預熱，主要組織為條狀馬氏體+少量貝氏體+少量殘余奧氏體，最高硬度412/HV10；預熱150 ℃，主要組織為貝氏體+少量條狀馬氏體+少量殘余奧氏體，最高硬度357/HV10)。預熱、后熱工藝措施可改變焊接熱循環參數，特別是延長了t150時間，有利于擴散氫的逸出，同時減少了接頭淬硬傾向和熱應力，降低了冷裂紋產生的傾向，提高了材料的抗裂能力。

3 鍋筒縱、環焊縫焊接工藝

某公司高壓、超高壓循環流化床鍋爐鍋筒材質為BHW35鋼，規格為?1 600mm×92mm，縱、環縫均采用埋弧自動焊焊接，縱縫為仿窄間隙坡口，環縫為窄間隙坡口，焊縫示意如圖1所示。

采用龍門式焊機和窄間隙焊機焊接，焊絲為H08Mn2MoA/?4， 焊劑為SJ101，電流為550～650A，電壓為29～33V，焊速為40～55cm/min，手工補焊，焊前預熱溫度不低于150 ℃，控制層間溫度不高于300 ℃，焊后立即300～400 ℃消氫，保溫2～3h。

4 焊接缺陷及原因分析

4.1 冷裂紋

冷裂紋是BHW35鋼縱、環縫常見缺陷之一,也是主要的和最嚴重的焊接缺陷，特別是縱縫因拘束應力大，冷裂的傾向更大一些。產生冷裂紋的主要原因有以下幾點。

(1)預熱溫度不夠。工藝要求預熱溫度不低于150 ℃，預熱范圍為坡口兩側沿母材方向不低于3倍的母材厚度，測溫點設置在加熱面的背面、距接頭坡口邊緣75mm處，接頭在整個焊接過程中不應低于預熱溫度。在整個焊接過程中預熱范圍內的母材厚度的加熱溫度和焊道層間溫度不能實時監測和有效控制，實際生產中預熱溫度或加熱范圍達不到工藝要求。

圖1 BHW35鋼縱、環縫坡口示意

導致鋼材產生冷裂紋的3個主要因素是鋼材的淬硬傾向、焊縫的擴散氫含量和接頭的拘束應力，其中淬硬傾向是決定性因素[4]。在材料和焊接方法一定的條件下，通過調整焊接條件以獲得適宜的焊接熱循環，控制組織硬化。預熱可以降低焊接區的冷卻速度，獲得適宜的t8/5。避免粗大馬氏體組織形成，改善熱影響區的塑性。

(2)后熱消氫處理不及時，或消氫溫度不夠。后熱消氫是指焊后立即對焊件全部(或局部)進行加熱和保溫，使其緩冷的工藝措施。后熱消氫的目的是避免焊縫形成淬硬組織，以及加速焊接接頭中擴散氫的逸出。工藝文件規定BHW35筒體縱、環焊縫焊后立即消氫，消氫溫度300～400 ℃，保溫2～3 h，但在實際操作中由于對工藝認識不夠或控制不到位，往往導致消氫不及時或加熱溫度不夠、保溫時間不足，導致消氫不到位。

(3)熱輸入過大。在筒體縱縫底層焊縫自動焊焊接時，疏于對熱輸入的控制，焊接速度過快，在較高的預熱溫度共同作用下，奧氏體晶粒粗化，接頭韌性強度下降，同時降低了接頭的抗裂性能。

(4)焊接工藝管理方面。焊條、焊劑烘干不到位，窄間隙焊機輸送焊劑的管道壓縮空氣中有水分，焊劑回收設備中無空氣干燥裝置，焊劑(包括回收)使用時重新受潮；焊絲有油污、不潔凈；焊接坡口表面清潔不凈等。均使溶解于焊縫中的擴散氫含量增加，從而增大了焊縫開裂的傾向。

4.2 環縫焊接常見缺陷

環縫焊接常見缺陷還有氣孔和夾渣，其產生的原因有如下5點。

(1)實際生產過程中焊劑未按要求烘干，尤其是回用焊劑沒有烘干就使用，或空氣壓縮機聚集水分，焊接時焊劑嚴重受潮，焊接時不易被熔化，導致夾渣，同時焊縫中的氣體增加,來不及逸出會導致氣孔。

(2)焊道焊渣清理不干凈或焊劑中有熔化過的焊渣，焊接時不易熔化，熔池凝固后形成夾渣。

(3)焊接時坡口內存在尖角，或焊劑顆粒過于細小，焊接電弧到達不了此處，可能導致夾渣。

(4)焊接規范不穩定，翻轉臺轉速度不均勻，也會導致焊接過程產生夾渣。

(5)焊接速度過快，預熱溫度不夠，層間溫度低，熔池停留時間短，熔池中的氣體來不及逸出，都可能導致氣孔。

5 焊接缺陷的返修

對待返修應高度重視，應從下面幾點嚴格控制。

(1)準確定位。熟知坡口形式、寬度，對照底片劃出缺陷位置，裂紋等線性缺陷可借助超聲波探傷確定其深度。

(2)清除缺陷要徹底。采用碳弧氣刨清除缺陷時，氣刨前預熱，預熱溫度要高于焊接預熱溫度50 ℃以上，注意每次吹挖深度不要過厚，一般為2～3 mm，修整返修坡口底部呈U型，半徑大于6 mm，手工打磨去除滲碳層，打磨厚度一般1～2 mm，采用表面探傷檢測確認缺陷完全去除干凈方可補焊。

(3)補焊前預熱，嚴格執行返修工藝，保證預熱溫度不低于150 ℃，預熱范圍要足夠大，單側不小于補焊處母材厚度的3倍。

(4)焊接操作方面，采用多層多道焊，不要擺動，每道焊層要薄，每次起弧收弧要相互錯開，有條件要將收弧弧坑磨掉，每道焊縫焊渣要清理干凈。焊接規范要合適，每焊完1根焊條可乘高溫時立即錘擊焊縫，以降低焊接應力。

(5)焊后緩冷及消氫。焊后緩冷可以給材料足夠的塑性變形的溫度和時間以釋放應力，對于裂紋缺陷，可以降低吹挖面的淬硬組織的產生程度，改善缺陷部位的應力分布。對于裂紋缺陷，缺陷的延長線上的兩端也應加溫，以便改善接頭區域冷卻后的應力分布。對于氫致裂紋敏感的材料，焊后消氫處理是防止冷裂紋產生的最有效措施之一。消氫不僅能使焊縫中的擴散氫充分逸出，而且能使焊縫和熱影響區在比較高的溫度下停留一段時間，給焊縫和熱影響區一個蠕變的過程，起到改善焊縫和熱影響區內應力的分布，降低內應力的作用。焊后應立即進行消氫，在焊縫不低于預熱溫度前加熱，要求坡口兩側或四周沿母材方向加熱范圍母材厚度的3倍，焊縫及熱影響區350～400℃，保溫2h。

6 結論

(1)BHW35鋼淬硬傾向大，對冷裂紋敏感，焊接時通過預熱、消氫等工藝措施，可以提高材料的抗裂能力。

(2)通過對BHW35鋼縱、環縫焊接常見缺陷分析，說明合理的焊接工藝及焊接工藝條件保證是獲得無缺陷優良焊接接頭的前提條件。

(3)給出了BHW35鋼焊縫返修控制的建議措施，確保返修一次合格。

[1]《火力發電廠金屬材料手冊》編委會.火力發電廠金屬材料手冊[M].北京:中國電力出版社,2001.

[2]楊松.鍋爐壓力容器焊接技術培訓教材[M].北京:機械工業出版社,2005.

[3]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業出版社，2002.

[4]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊[M].北京：機械工業出版社,2007.

(本文責編：劉炳鋒)

2017-06-23；

2017-07-28

TG 457.11

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1674-1951(2017)08-0048-02

周麗萍(1968—)，女，山西平定人，工程師，從事鍋爐壓力容器焊接工藝及制造工藝方面的工作(E-mail:zhouliping428@163.com)。