試用16 mnR鋼板埋弧焊焊接產生裂紋分析

(廣東石油化工學院，廣東 茂名 525000)

0 引言

在壓力容器生產領域使用較為廣泛的16mnR鋼板埋弧焊技術，在實際應用中很容易出現焊接裂紋等現象。而焊接裂紋作為焊接工藝中的一項重要的缺陷，一旦在焊接中出現，會給后續的工序帶來較大的隱患，這就要求生產者在生產焊接的過程中，對焊接裂縫問題有足夠的認識，并做好預防以及處理工作。本文將結合自身的研究經驗，對16 mnR鋼板埋弧焊產生焊接裂紋這一問題進行充分的論述，希望能為實際生產過程中的焊接質量提升提供一定的幫助。

1 16 mnR鋼板埋弧焊焊接過程出現裂紋的性質特點

16 mnR鋼板埋弧焊出現的裂紋一般存在于焊縫金屬上，出現與焊縫同一方向上的裂縫，在具體的表現上，焊縫波浪線與裂縫呈垂直狀態，而裂縫出現在焊縫表面后，呈現鋸齒狀，可以通過這些特征來對結晶裂紋進行判斷，在16 mnR鋼板埋弧焊接的過程中，很少出現其他種類的裂紋，所以只要出現這種與焊縫垂直，并在表面呈鋸齒狀的裂紋，基本上都可以判斷為結晶裂紋。在結晶裂紋產生過程中我們對其進行總結，可以發現結晶裂紋有基礎較為明顯的特征：①結晶裂紋往往出現在對16 mnR鋼板埋弧焊的第一道焊接中。②16 mnR鋼板內部與焊劑中存在較多的碳元素以及其他易裂紋的金屬成分后，焊接出現結晶裂紋的幾率隨之增大，這就說明無論是鋼材還是焊劑，只要內部存在著不利成分，都會對結晶裂紋產生影響。③厚度較小的鋼板(<20 mm)容易在熄弧板環節出現結晶裂紋；厚度較大的鋼板(>20 mm)無論是縱縫還是環縫，都會出現裂紋，并且呈現出不規則、無規律等現象。

2 16 mnR鋼板埋弧焊焊接出現裂縫的原因

2.1 產生結晶裂紋的原因

核心原因是結構內一些部位發生了一定程度的破壞。裂紋作為一種物理現象，在發生破壞的同時一定會存在力學上的反應。所以我們可以對造成這種局部破壞力量的來源進行分析，研究這種破壞力量的產生。

焊接是一種局部加熱的操作過程，也就是說把部分金屬進行融化，再對液化后的金屬進行對接，而在金屬液化結束后，逐漸地凝固放熱，從而把兩端的金屬進行連接。這一過程伴隨著放熱和冷卻，眾所周知，焊接金屬在凝固的過程中會出現體積減小的問題，并且焊縫內的金屬在逐漸冷卻凝固的過程中也會出現收縮狀態，所以在焊縫處的液化金屬與焊縫之外的金屬產生了應力。焊縫開始結晶與凝固的過程中，拉應力并不會立刻引起裂紋，此刻的金屬晶體逐漸生長，且液態金屬尚有較好的流動性，可以在焊縫內流動，從而填滿拉應力已經造成的裂縫和間隙。

隨著溫度的進一步下降，兩側金屬柱狀晶體所產生的拉應力不斷擴大，而焊縫內尚存低熔點、凝固晚的共晶體，這種共晶體逐漸被已經形成的晶體推動，所以在焊縫即將凝固時，低熔點共晶體還處于液態，此時焊接處已經存在著較大的拉應力，由于液態不存在強度，所以使晶粒之間不能充分地進行結合。在這種應力的干涉下，逐漸使柱狀晶體之間的空隙變大，由此產生了裂紋。所以從這一過程可以分析得出，如果不存在低熔點共晶體，晶粒之間可以比較牢靠地進行結合，即便應力存在，但由于晶粒之間的結合程度較高，也不會出現裂紋。所以焊接處的低熔點共晶體與拉應力都是產生裂紋的主要原因。拉應力在低熔點共晶體的作用下，從而產生了裂紋，也正是由于這種裂紋出現在焊縫結晶的過程中，所以被稱之為結晶裂紋。

2.2 產生裂紋的影響因素

2.2.1 焊接線產生的能量影響

在埋弧焊的操作過程中，對于焊接的熱輸出遠超其他焊接方法，所以焊接線的能量大小對于焊縫成形起到了至關重要的作用，焊縫的成形對于后期焊縫內部晶粒分布與受力情況存在著很大影響，所以焊縫成形直接影響到結晶裂紋是否產生，以及產生的程度如何。此外，焊縫在橫向上的收縮量相交間隙張開量較小，所以也會導致橫向拉伸力大于其他焊接方法。

2.2.2 焊縫的雜質含量以及應力

在焊縫結晶的過程中，低熔點結晶的主要來源就是焊縫中存在的雜質，這種情況主要是因為低熔點共晶物在結晶時會轉移到晶界，從而出現液態薄膜，在凝固過程中，焊縫金屬由于收縮而產生拉應力，但是液態薄膜不能承受應力，最終產生裂紋。所以要避免熱裂紋的產生，首先就要對焊縫金屬內雜質的含量進行控制，由此可以看出裂縫是焊接應力與金屬雜質的共同作用。

3 16 mnR鋼板埋弧焊焊接產生裂紋的應對措施

3.1 減小焊接部位的應力發生

1)控制好坡口形式。可以通過改變焊縫坡口的方式降低應力發生的程度，所以在焊接中盡量選擇小坡口間隙。坡口間隙過大時，會導致在焊縫由液化凝固時收縮變大，從而應力隨之增大。在鋼板的劃線階段就要對板料的棱角度進行控制，保證在板料的每個環節都進行控制，以免出現間隙變大等現象。

2)降低背面點固焊的長度以及點數，從而降低坡口在橫向上的局部剛度，也可以產生降低焊接部位應力的作用，但在焊接時，一定要注意不能出現燒穿等現象。

3)對焊件進行預熱。通過對焊件的預熱，也可以達到降低結晶裂紋出現的目的。加熱的作用主要在于保持焊接部位的溫度均勻，從而使焊縫兩側的溫差減小。當溫差較小時，會獲得應力減小的效果。一些環境溫度較低并且板材較厚的情況下，必須進行加熱，減低內外的溫差。

3.2 控制好焊縫金屬的化學成分

低熔點共晶體與應力在裂紋問題上有著同樣的重要性，與焊縫內部的成分有著緊密的關系，低熔點共晶體的出現與焊縫中的幾種元素直接相關。如硫以及磷是屬于對焊縫有害的成分，可以在焊縫的熔接過程中出現多種低熔點晶體。此外還有一些碳元素的影響，碳元素可以幫助焊縫技術提升淬硬性，所以也會導致焊縫內部的應力上升。此外，碳元素也容易在鋼中結合其他元素，形成低熔點共晶體。所以在焊接的過程中，要對焊縫中的金屬成分進行有效的控制，降低有害成分的含量，可以從以下方面來進行。①對金屬的母材進行控制，一般壓力容器需要使用的16 mnR鋼板，要審查好質量證明書，避免使用C/S/P等元素含量較高的鋼板，杜絕這種鋼板應用于自動埋弧焊。②對焊劑的成分進行控制。焊縫對于焊劑的要求較高，生產中常常出現的焊劑S/P等超標等現象，都會造成焊接出現裂紋等現象，所以在使用焊劑之前，要對焊劑的質量進行審核，以免因為S/P等元素的超標產生焊接裂紋，從而影響質量。

4 結語

在生產壓力容器的過程中，16 mnR鋼板埋弧焊的自動焊有很大幾率出現熱裂紋，也就是結晶裂紋。結晶裂紋產生的原因，主要是由于材料中的低熔點共晶體存在并與焊接拉應力發生相互作用。所以低熔點共晶體與焊接拉應力存在著各自的規律，互相之間又有著一定程度上的影響。結晶裂紋的出現需要二者的共同參與，為避免這一問題的出現，就需要操作者對低熔點共晶體與焊接拉應力進行干涉，只有這樣才可以有效避免16 mnR鋼板埋弧焊在焊接過程中出現裂紋。