压力容器中厚板筒体焊接结晶裂纹分析与工艺改进

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不是所有存在低熔共晶体的焊缝金属都会产生结晶裂纹，结晶裂纹的形成还与其他一些因素有关。首先应考虑到正在结晶的焊缝金属所经受的应变速率与低熔点共晶体凝固速度之间的关系，如果在某种条件下，焊缝金属的应变速率高于低熔点共晶体的凝固速度，则就提高了裂纹形成机率，反之则明显减少裂纹的可能性；其次是焊接熔池金属初生晶体的长大方向与残留低熔共晶体的相对位置，当低熔共晶体被夹在正在长大的柱状晶体之间，或者处于从两面相对增长的晶面之间时，焊缝金属在结晶过程中容易被焊接收缩应力拉开而形成裂纹，当低熔共晶体被长大的晶体推向熔池表面，没有在柱状晶体之间时，不易产生结晶裂纹。

由此可见，焊缝结晶裂纹的形成必须同时具备下列三个条件（1）在焊接熔池金属中必须存在一定数量的低熔共晶体，这主要取决于母材和焊接材料中的杂质和易形成低熔共晶体的合金成分含量以及熔池的过热程度；（2）焊接熔池的形状和结晶方式可使低熔共晶体封闭在柱状晶体之间；（3）焊缝金属在结晶过程中经受相当速率的应变，而应变速率的大小由熔池的体积、焊件形状、接头形式和壁厚所决定。

3 结晶裂纹形成的影响因素

3.1 合金元素对结晶裂纹的影响

（1）硫、磷：在钢中是增大结晶裂纹倾向的元素。它使合金的结晶温度区间增大，硫和磷是钢中极易偏析的元素，易在晶界形成多种低熔点共晶。

（2）碳：在钢中是影响结晶裂纹的主要元素，并能加剧其他元素（如硫、磷等）的有害作用。

（3）锰：具有脱硫作用，能置换FeS为MnS，同时也能改善硫化物的分布形态，使薄膜状FeS改变为球状分布，从而提高了焊缝金属的抗裂性。

（4）硅：少量的硅可消除结晶裂纹，因它是形成δ相的元素。但当硅含量超过0.4%时，容易形成低熔点的硅酸盐夹杂，降低焊缝力学性能，并增加裂纹倾向。 3.2 工艺因素对结晶裂纹的影响

（1）焊接线能量：焊接热影响区粗晶区的晶粒大小与线能量有着密切关系，晶内的偏析程度也与线能量存在一定关系，一般来讲，晶内的偏析程度与线能量成正比，即线能量越大，偏析程度越严重，在晶界处，易产生低熔点共晶体。另外，随着线能

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量的增加，会使热影响区粗晶区的晶粒过于粗大，降低了材料的晶界强度和塑性，从而增大了材料对热裂纹的敏感性。

（2）工件的坡口形式：采用埋弧焊进行多层焊时，坡口加工角度过小或清根造成打底层焊道的坡口角度过小，导致熔合比增大，使焊道熔池金属高度稀释形成熔池金属C、S、P含量增加，而Mn含量减少。另外，根部焊道的焊缝形状系数也将减小，当焊缝形状系数小于1时，加剧了熔池金属结晶过程中晶粒朝熔池中心的生长，使得焊缝中心线的杂质浓度增大，凝固后在焊缝中心线附近出现偏析，从而产生结晶裂纹。 3.3 应力因素对结晶裂纹的影响

对于中厚板来说，由于三向应力的存在，钢板厚度越大，则刚度越大，焊后产生变形引起的焊接应力也越大。压力容器筒体卷制和组装过程中造成的外应力，将在焊缝的焊接过程中产生较大的拘束应力。这些应力增大了结晶裂纹产生的倾向。

4 筒体纵缝形成结晶裂纹的原因分析

筒体纵缝形成的结晶裂纹主要在焊缝的终端，有时为距离终端附近150mm范围内。 由于埋弧焊所采用的焊接热输入量往往比其他焊接方法要大的多，加上引弧板和熄弧板尺寸较小，与筒体之间只靠定位焊连接，终端焊缝部位的传热条件较差，致使该部位局部温度升高，熔池形状发生变化，熔深变大，焊缝形状系数较小，容易产生结晶裂纹。另外，对于开坡口的中厚板来说，焊缝的横向收缩量远比间隙的张开量要小，使终端部分的横向拉伸应力比其他焊接方法要大，增加了结晶裂纹产生的倾向。

5 筒体环缝形成结晶裂纹的原因分析

我公司厚度30mm-40mm板的筒体环缝主要开如图1所示单面V形坡口，厚度41mm-50mm板的环缝主要开如图2所示 U-V形坡口，采用双面埋弧焊。形成的结晶裂纹主要在坡口侧根部焊道的第一道焊缝中心和背面清根后第一道焊缝中心。从工艺因素对结晶裂纹的影响可知，筒体内侧坡口角度过小，钝边较大，以及背面碳弧气刨清根深度不均，坡口角度过小，导致熔合比过大，加上埋弧焊焊接的热输入过大，焊接熔池深而窄，焊缝成形系数小，容易产生结晶裂纹。从合金元素对结晶裂纹的影响可知，由于背面碳弧气刨清根的结果，使焊缝根部碳元素增加，熔合比过大，焊缝金属

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稀释增加，使得S、P等元素的含量也增加，容易形成低熔点共晶，增加了结晶裂纹的产生机会。从应力因素对结晶裂纹的影响可知，由于焊接时是先焊接V形坡口的坡口侧和U-V形坡口的U形坡口，导致焊接另一侧时，焊缝处于被拘束状态，不能自由收缩，增加了应变量，易促使裂纹的产生。

图1单边V形坡口

图2 U-V形坡口

6 防止结晶裂纹产生的措施

6.1 控制焊缝中有害杂质的含量

相关研究表明，在一般的接头拘束度下，焊缝金属的ω(C)大于0.15%，S、P总质量分数大于0.06%，就可能出现结晶裂纹。所以在选择焊接材料时，应当选用低碳、低磷、硫的优质焊接材料，使之与母材混合后形成的焊缝金属，其C、S、P等含量低于上列临界值。

6.2 控制焊缝的截面形状

焊缝的截面形状可以成形系数表征，成形系数ψ是焊缝宽度B与熔深H之比。相关研究表明，ψ值主要影响到枝晶成长方向及其会合面呈对向生长状态，是杂质析集严重的部位，因而最易产生热裂纹，一般希望尽可能避免出现ψ＜1的情况，即焊缝实际深度不要超过焊缝宽度。焊缝成形系数可通过调节焊接参数来改变，提高电弧电压，降低焊接电流可明显地改善焊缝的成形，提高抗结晶裂纹的能力。 6.3 改变焊接接头的坡口形式

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改变坡口的形式和角度，减小钝边尺寸，可以有效减小熔合比，采用碳弧气刨背面清根时，应扩大根部焊道的宽度。 6.4 改变根部焊道的焊接方法

由于埋弧焊线能量较大，焊缝根部容易出现结晶裂纹，所以可以采用焊接线能量较小，并且不影响生产效率的焊接方法，如焊条电弧焊，进行焊缝根部的打底焊。焊条电弧焊焊接线能量较小，熔深浅，熔合比小，成形系数大，降低了根部熔池金属的稀释，减少了焊缝金属的有害的杂质元素，使结晶裂纹开裂的机会减少，并且焊条电弧焊打底焊后焊缝根部变宽，可以使埋弧焊进行焊接时成形系数变大。 6.5 降低焊接拉应力

筒体在卷圆或组装后定位焊时，为增加焊接接头的拘束度，在纵缝端部的定位焊缝应不小于100mm，并应有足够的焊缝厚度，且不得有裂纹、未熔合等缺陷。适当加大引弧板和熄弧板的尺寸，引弧板和熄弧板与筒体的定位焊必须有足够的长度和厚度，且为连续焊，对于中厚板来说，引弧板和熄弧板应保证有足够的焊缝厚度，并且最好开与纵缝相同的坡口形式。合理布置焊缝，避免焊缝交叉，控制合理的焊接顺序，尽量使大多数焊缝能够在比较小的刚度下焊接。

7 焊接工艺改进及试验

7.1 焊接方法

我们原有的焊接方法为采用埋弧焊进行双面焊，根据以上分析，现改为采用焊条电弧焊打底焊结合埋弧焊的方法进行焊接。 7.2 坡口形式

为了加大焊缝成形系数，减小熔合比，同时提高焊接效率，我们对坡口形式进行了如下改变：30mm-40mm板采用双X形坡口，增大坡口角度，如图3所示。41mm-50mm采取原有U-V形坡口，不过增大了U形坡口的根部半径，减小了钝边厚度，并把U形坡口放在了筒体外侧，如图4所示。

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