真空鋼渣罐制作焊接缺陷分析及處理

黃凌志

武漢鋼鐵綠色城建金屬結構有限責任公司 湖北武漢 430000

1 序言

真空處理鋼制渣罐用于盛裝經RH真空爐精煉處理后的廢棄高溫鋼渣，要求與煉鋼重型起吊設備安全匹配，便于罐底鋼渣的傾倒。該種類型鋼渣罐原為整體鑄造，容積和體重均無法滿足現場工藝要求。

武漢鋼鐵綠色城建金屬結構有限責任公司首次研制該類型鋼制渣罐，具有材質性能好、精準度高、容積大、重量輕及經濟實惠的特點。由于鋼渣出爐排放前已進行過降低溫度的處理，故此真空處理鋼制渣罐采取在罐底鋪設耐材層進行罐體保護。其主要特點如下：①罐體為倒錐體結構，上端內口直徑為4440mm，下端內口直徑為2700mm，總高達3590mm，單件凈重約50t。②罐體底板及壁板厚度均為70mm，材質為Q355R；耳軸的材質為35鍛件鋼（以下簡稱35鋼），耳軸座材質為ZG310-570。③鋼制渣罐工作和運行時主要有平行起吊及翻轉出渣兩種工位，各種工位運行時均要求設備平穩可靠、翻轉靈活自如，因此制作質量要求較高。

本文主要論述真空處理鋼制渣罐制作工藝控制過程，重點對真空處理鋼制渣罐制作焊接過程進行有效控制，解決異種鋼焊接難點。對焊接生產過程中出現的焊接質量問題進行診斷分析，制定相應返修工藝，確保焊接質量合格。

2 制作過程中的重點與難點控制

（1）重點與難點分析 真空處理鋼制渣罐采用厚板焊接結構形式，罐體底板及壁板厚度均為70mm，焊接過程中會產生較大焊接應力；罐體底板及壁板材質與耳軸、耳軸座材質不同，且35鋼和ZG310-570均屬于中碳鋼，焊接性差，易產生裂紋、氣孔等缺陷[1]。因此，制作的重點與難點控制主要包括厚板焊接和異種鋼焊接兩個方面。

（2）主要制造工藝流程 主要工藝流程如圖1所示。

（3）材料質量檢測控制 所有材料入廠前應具有產品合格證明書，其中罐底、罐體所用Q355R材料按NB/T 47013－2015《承壓設備無損檢測》進行100%UT檢測，三級合格。

（4）耳軸、耳軸座、耳軸套外委加工質量控制 耳軸超聲波檢測內部缺陷，結果為二級合格，按V組鍛件檢驗，調質處理，硬度達到207～269HBW。耳軸座、耳軸套正火加回火處理，超聲波檢測內部缺陷，結果為二級合格。

圖1 主要工藝流程

（5）組焊工藝質量控制 組裝順序為：罐體拼焊→底板與罐體拼焊→裝焊耳軸→裝加強箍→底板與罐體組裝→裝焊傾翻裝置→裝焊耳軸周圍的加強筋。罐體與罐底組裝完后，對局部圓度超差處進行火焰矯正。上口直徑 、圓度、罐高在允許公差范圍內的情況下，在上口處應加焊臨時支撐。裝耳軸前應將罐體擺放好、測平，用經緯儀測定耳軸的裝焊點，以保證耳軸的同軸度。兩耳軸同軸度的最大允差為3mm。所有零件必須在檢測后方可裝配。

（6）厚板焊接控制 當母材厚度≥32mm時，針對重要部位焊前需預熱到100～150℃，預熱方法為煤氣加熱。焊后進行熱處理，工藝為150～200℃并保溫2h以上。要求連續一次性焊完并保證層間溫度＞100℃。對于沒能連續焊完的焊縫，再次施焊前必須重新預熱。

（7）罐體組裝控制 ①罐體底板允許接一條焊縫，接料寬度≥1000mm。②罐體分上下兩個部分，每部分由兩個半圓形成，各片下料必須用數控切割機切割。③罐體各片下料時，每片母線及弧長方向需留2mm焊接收縮余量。每端預留滾圓壓頭余量700mm（或采取焊接壓頭板方式）。④扇形面滾圓采用分區滾制法，應用弦長＞1500mm的檢查樣板在曲面大口和小口檢查曲率，錐面與樣板的間隙＜3～5mm。⑤筒體滾圓成形后，其上下口弦長誤差應在2mm內，串角＜5mm。⑥接縫應按圖樣布置，對接錯邊量＜2mm，圓度應控制在3mm以內。

（8）焊縫檢測 真空處理鋼制渣罐主要焊縫和檢測要求見表1。

3 異種鋼焊接缺陷處理

（1）現象描述 經檢查發現，耳軸座與耳軸間的環焊縫熱影響區出現冷裂紋，如圖2所示。

圖2 環焊縫處出現裂紋

（2）原因分析 ZG310-570與35鋼屬于中碳鋼，裂紋分布在熱影響區。該類缺陷主要是由于碳當量偏高、淬硬組織過多，以及焊條熔敷金屬中氫含量過多所致。

1）碳當量分析。耳軸座材質為ZG310-570，耳軸材質為35鋼，兩種材質的化學成分見表2。

由表2可知，35鋼化學成分的各項數據低于ZG310-570，因此依據ZG310-570化學成分質量分數的上限值，由碳當量公式計算出最大碳當量值為0.773%，這說明其焊接性較差，屬難焊材料，需采用較高的預熱溫度和嚴格的工藝方法。

表1 真空處理鋼制渣罐主要焊縫和檢測要求

表2 耳軸座和耳軸材質的化學成分（質量分數） （%）

2）淬硬組織分析。焊縫和熱影響區的冷裂傾向，除了與其成分有關外，組織對性能的影響更為明顯。在成分一定的前提下，組織決定冷卻速度。淬硬組織越多，硬度越高，焊接性越差。通過控制冷卻速度，改變焊接區的組織種類和硬度，降低產生裂紋的可能性。

焊接時母材的實際初始溫度和焊接熱輸入大小影響著冷卻速度，我們在實際焊接中，未采取相應的后熱措施，導致冷卻速度過快，這也是產生冷裂紋的主要原因。

3）氫的影響分析。引起冷裂紋的因素，不僅是碳當量、冷卻速度或者淬硬組織，焊縫中的氫含量同樣會增加冷裂紋敏感度。在焊接過程中和焊后，焊縫中的氫會不斷地向熱影響區擴散或聚集，導致熱影響區組織不易變形，增大產生冷裂紋的概率。

4 焊縫返修采取的措施

（1）焊前準備 ①用碳弧氣刨清除裂紋。注意碳棒角度指向焊縫中心，采取分段逐層處理，每個分段長度≤200mm、深度≤5mm，最后處理各分段長度為50mm的間隔段。②采用風槍勻速清除焊渣，用肉眼觀察裂紋情況。③清理完所有冷裂紋后，用錐形小磨頭打磨焊道，清除滲碳層后，采用著色檢測確認結果。

（2）焊材的選擇 焊縫及熱影響區的組織及性能在很大程度上取決于焊材，為了保證焊縫的力學性能與母材的性能相匹，焊縫熔敷金屬的強度要求與母材的強度基本上等強[2]，同時保證熔敷金屬具有良好的抗裂性能及抗氧化性能，選用φ3.2mm和φ4.0mm奧氏體不銹鋼焊條，如A302。

焊接區的氫主要來源于焊接材料和焊接區的水分，提高焊材的烘干溫度，可降低焊縫中溶解的氫。因此，為防止裂紋的產生，焊條在使用前必須要進行300～350℃的烘干，并保溫2h，焊接時使用保溫桶。

（3）焊前預熱 預熱的目的：一是可以降低焊接接頭的冷卻速度，有利于焊縫金屬中擴散氫逸出，避免氫致裂紋；二是可減小焊接區與焊件整體之間溫差值（也稱溫度梯度）。因為溫差值越小，焊接區與焊件結構間溫度不均勻性也越小，所以降低了焊接應力，也降低了焊接應變速率，有利于避免焊接裂紋。

焊前預熱溫度為250～300℃，預熱方法為煤氣或電輔助加熱，并用石棉包裹至僅露出焊接區域，加熱范圍為坡口兩側150mm。如中斷連續焊接，再次施焊前必須重新預熱。

（4）施焊 選擇有經驗的焊工施焊，耳軸座和耳軸焊縫返修采用焊條電弧焊，焊條為A302，直流電源。打底焊使用φ3.2mm焊條，焊接電流為70～130A；填充和蓋面焊使用φ4.0mm焊條，焊接電流為100～160A；采用多層窄道焊接，注意控制層間溫度，焊條擺動不得過大，且不要在軸塊側過多停留。

（5）焊后后熱處理 焊后熱處理溫度為250℃，保溫2h以上，然后緩冷，24h后進行100%UT檢測。

5 裂紋修復后熱處理

（1）熱處理要求 熱處理之前需檢查設備、溫控儀表、自動記錄儀是否完好，并經專檢員簽字認可；耳軸座修復且經無損檢測合格后進行整體消除應力熱處理；耳軸座入爐時爐內溫度≤300℃。

（2）焊后熱處理 焊后熱處理工藝曲線如圖3所示。

圖3 焊后熱處理工藝曲線

6 結束語

通過對真空處理鋼制渣罐制作中出現的耳軸座和耳軸間焊縫冷裂紋問題進行分析，并且制定出相應的返修工藝，達到了制作要求，進行一次返修處理后，沒有再次出現焊縫質量問題。由此可見，對于ZG310-570材質的組裝產品，選用A302焊條，進行250～300℃預熱，并通過減緩冷卻速度，在規范的工藝指導下進行操作，既可降低該類材質焊接冷裂紋缺陷產生的可能性，又為今后的鋼結構組裝過程中，對于中碳鋼的焊接可起到一定的借鑒作用。