淺析焊接裂紋與返修技術的探討

車振龍 孫玉東 李海波

摘 要：鋼結構件的焊接失效，往往是在設備使用過程中出現，一臺設備中任意一個結構部件發生焊接失效開裂，都會影響整臺設備的正常運轉，給企業造成不可估量的損失。本文通過整理近年來樣本，歸納分析了失效原因，裂紋產生機理、位置分布，通過分析鋼材焊接特性。通過試驗確定適當焊接工藝確保焊接接頭質量，提出焊接工藝要求和施工流程，有效防止了裂紋，為施工現場提供了技術支持。

關鍵詞：焊接缺陷；力學性能；返修補焊

1 導致焊接失效的原因

通常意義上講，焊接失效就是焊接接頭由于各種因素，在一定條件下斷裂（如：應力、溫度、材質、焊接質量和實際使用工況條件等）。接頭一旦失效，就會使相互緊密聯系成一體的構件局部分離、撕裂并擴展，造成焊接結構損壞，致使設備停機，影響正常生產。焊接失效的基本條件：一是焊接結構設計不合理，如在局部或整體焊縫的布置與設計上存在問題；二是材料本身的缺陷，如板材化學成分偏析，鑄鋼件的組織存在縮松、氣孔、裂紋等；三是焊接工藝的應用不合理，如焊接材料的選擇、焊接方法的制定；四是構件所處的工作環境、工況條件差（如受到交變及沖擊載荷），引起結構材料疲勞破壞。

2 焊接裂紋的影響因素

2.1 冶金方面的影響因素。

硫和磷是鋼中最有害的元素。能在鋼中形成多種低熔點共晶，在結晶過程中極易形成液態共晶薄膜，使脆性溫度區間的塑性大為下降。同時，硫、磷又非常容易偏析。碳在鋼中也是影響熱裂紋，尤其是結晶裂紋的主要因素。焊縫組織一次結晶形態。在一次結晶的晶粒度越大，結晶方向性也越強，也就越容易促使雜質偏析，越容易在固液階段形成連續的液態共晶薄膜，增加結晶裂紋傾向。

2.2 焊接工藝影響

工藝條件包括焊接方法、焊接熱輸入、預熱或環境溫度、焊接順序等。它們對焊接接頭冷卻時的應變增長率、焊縫的化學成分和偏析情況帶來多方面的影響，這些直接影響到焊縫的熱裂紋傾向。焊接前，需要預熱和后熱，對焊條進行一定溫度的烘烤和恒溫，焊接時控制好焊接線能量。如果焊工集中向上焊，容易將應力集中在罐體上部環裂縫，采取分段退焊可分散組對和焊接應力。良好的焊接順序和焊接速度控制確保容器拘束應力均勻分布，減少應力集中和產生裂紋。

3裂紋的分布形式

定期檢測發現，裂紋多數出現在焊接接頭位置，可以細分為：縱向焊接接頭、柱腳焊接接頭、極板拼接接頭、環向焊接接頭和接管焊接接頭等。其中以環向焊接接頭和柱腿焊接接頭所占比例最高，分別占51.05%和35.27%，縱向焊接接頭占6.84%，極板焊接接頭占2.63%，裂紋的長度以20mm以內的小裂紋為主，占總數的72.64%，21-50mm的裂紋占16.84%，50mm以上的裂紋比例很小。不同的裂紋根據埋藏位置、自身高度以及安全程度等不同，決定補焊等返修工作。有的表面或淺表面裂紋可以通過打磨消除，有的則需要按照《壓力容器定期檢驗規則》，進行補焊返修，根據樣本統計結果，95處裂紋中有37處需要返修，占總數的40%，其中環向焊接接頭的裂紋數17處，占總數的18.4%，對裂紋返修率及裂紋的危險性的比較發現，容器裂紋中以柱腿角焊裂紋、內表面、環縫裂紋和接管角焊縫的返修率最高，20mm以內裂紋基本不用返修，返修率與裂紋尺寸呈正比關系。

4 焊接工藝

（1）檢查設備及輔助工具狀態良好。焊接前必須清理坡口周圍20mm內的油、鐵銹等污物，打磨出金屬光澤為準。

（2）焊接時應采用分段退焊和多層多道的焊接工藝。球殼板定位焊時任何情況下焊縫長度≥50mm，定位焊間隔在400mm。焊接分為立焊、橫焊和平仰焊。為避免焊縫金屬過熱區的粗晶形成，確保容器鋼材的低溫沖擊韌性，防止裂紋的產生，采取電加熱片均勻加熱，預熱溫度控制在100～150℃范圍內，在坡口兩側預熱半徑150mm，焊接層間溫度高于預熱溫度且最高值≤200℃。

（3）球體焊接順序。每條縱縫配置一名焊工同時焊接，如焊工人數不夠，間隔布置分兩次完成。環縫焊接按焊工人數均勻分段，注意反面用碳弧氣刨清根，層間焊接接頭必須錯開，用砂輪機磨除滲碳層。

5 焊縫返修工藝要求

（1）焊縫的返修應由合格的焊工擔任。返修工藝措施應得到焊接技術負責人的同意。 壓力容器上同一部位的返修次數不應超過2次。對經過2次返修仍不合格的焊縫，如再進行返修，應經制造單位技術負責人批準。返修的次數、部位和無損探傷結果等，應記入壓力容器質量證明書中。鍋爐同一位置上的返修不得超過3次。

（2）要求焊后熱處理的鍋爐、壓力容器，應在熱處理前返修；如在熱處理后返修，返修后應再做熱處理。

（3）有抗晶間腐蝕要求的奧氏體不銹鋼制壓力容器，返修部位仍需保證原有要求。

（4）壓力試驗后，一般不應進行焊縫返修。確需返修的，返修部位必須按原要求經無損探傷檢驗合格。由于焊縫或接管泄漏而進行的返修，或返修深度大于1/2壁厚的壓力容器，還應重新作壓力試驗。 焊縫多次返修，即使是無損探傷、力學性能試驗和金相檢驗都未發現異常，但仍然對焊接接頭質量有不良的影響。首先，由于焊接次數的增加，焊縫金屬中溶解的氫氣向過熱區擴散量必然增加，成為產生熱影響區冷裂紋、延遲裂紋的隱患；其次是過熱區的晶粒因多次過熱而長得更大，造成組織不均勻和力學性能下降。因此焊縫返修前應先找出產生缺陷的原因，制訂可行的返修方案 ，才能進行返修。

6 結論

總的來說，焊接裂紋返修時應注意工藝規范，采取適當的工藝措施是可以獲得很好的返修效果。

參考文獻：

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