焊接接头中裂纹怎么操作的?

小编 2022-05-30 15:34:33 710

近年来,低合金高强度材料在特种设备中的应用越来越普遍,这与锅炉和压力容器的高温高压工况有关。但在特种设备制造过程中,经常发现热处理后的焊缝出现裂纹,特别是2.25cr-1mo、13monimor等材料,已经引起了厂家的重视。

焊接接头中裂纹怎么操作的?

01

焊接接头中有多种裂纹。

晶体:焊接熔池凝固结晶过程中,在液相和固相共存的温度范围内,由于结晶偏析和收缩应力应变,焊缝金属沿一次晶界形成的裂纹。这种裂纹只出现在焊缝中(包括弧坑)。

液化裂纹:在焊接过程中,在焊接热循环的峰值温度下,多层焊缝的中间层金属中的晶间金属/热重熔和母材附近的金属在一定的收缩应力下沿奥氏体晶界开裂,在一些文献中称为“热裂”。

低温塑性裂纹:液相结晶完成后,焊接接头金属从材料的塑性恢复温度开始冷却。对于一些特殊材料,当冷却到一定温度范围时,由于应变速率和一些冶金因素的相互作用,塑性降低,导致焊接接头金属沿晶界开裂。一般发生在比液化裂纹更远离熔合线的热影响区。

再热裂纹:焊后经过热处理消除残余应力或不经任何热处理的焊件在一定温度下服役过程中,在一定条件下沿奥氏体晶界发展的裂纹。事实上,再热裂纹是低合金高强度钢焊接性需要解决的主要问题之一。特别是在一些含有较多碳化物形成元素如Cr、Mo和V并能产生析出碳化物的低合金高强度钢和热强度钢的厚板焊缝中,在焊后消除应力热处理过程中经常产生再热裂纹。处理这些缺陷需要时间和人力,对生产影响很大。本文简要分析了制造过程中再热裂纹的形成机理、预防措施和检验方法。

02

再热裂纹机理

再热裂纹的形成简单地说是由于晶粒内的强化强度高,晶界强度弱。焊后热处理时,应力松弛时的变形集中在晶界上,一旦晶界应变超过晶界的强度极限,就会导致沿晶界开裂。

(1)再热裂纹形成的内因焊接时,熔合线附近的热影响区加热到1200℃左右,特别是厚板多次加热后,晶粒粗大,而强碳化物在冷却过程中析出缓慢。类似地,在埋弧焊期间,由于线能量高,焊缝中间的晶粒尺寸较粗。在随后的SR处理(480 ~ 680℃)中,碳化物(V4C3,V4C3)粗晶使承受应变的晶界数量急剧减少,单位应变的晶界应变大幅增加。此外,在焊后SR处理期间,低熔点杂质和微量元素如B、s B、Sn、As在晶界处偏析,这削弱了晶界的塑性。当应变超过晶界的塑性极限时,就会发生开裂。

(2)再热裂纹形成的外因上面简单介绍了再热裂纹的内因,但产生再热裂纹还需要外因,要从焊接残余应力和膨胀应力来考虑。

焊后消除应力热处理时,通过松弛蠕变变形降低焊接残余应力,当材料的变形难以满足这种变形要求时,就会产生裂纹。在焊接区,存在低熔点化合物、偏析和粗晶脆化区,由于缺乏晶界强度和韧性,不能抵抗蠕变膨胀变形,导致裂纹失效。

实际上,蠕变是一个热膨胀的过程。在此过程中产生膨胀拉应力抵消焊接过程中产生的部分压应力,冷却收缩时产生收缩力抵消焊接过程中产生的部分拉应力,从而降低应力峰值。因此,在焊接区的微缺陷气孔、夹渣等应力集中区域,当膨胀力与该区域的应力叠加时,会产生峰值较高的拉应力,当峰值大于材料的强度值时,维持不失效的原有平衡就会被打破,从而产生裂纹。这些应力集中区域的应力分布状态非常复杂,由于不同的厚度位置和周围是否有喷嘴等约束而不同。比如这种缺陷在V型坡口焊接的下部,这些缺陷受拉应力,上部受压应力。这也是很多再热裂纹大多存在于焊接区根部的原因。由于复合堆焊的过渡层是异种钢的焊接,其结构非常复杂,且处于拉应力区,所以再加热裂纹的倾向也很大。

预防措施:从再热裂纹的形成机理分析,预防措施如下:

严格控制原材料:在原材料采购中,钢中的Cr、Mo、V、Nb、Ti、B等强碳化物形成元素对再热裂纹的形成影响很大,需要严格控制。还有能形成硫和磷共晶的S和P含量,在采购焊材时也有同样的要求。这些措施是解决再热裂纹内因的较有效措施之一。

选择热裂纹敏感性低的焊接材料(严格控制S、P、V、Nb等元素的含量。),并取焊缝金属强度的下限。

制定合理的焊接规范;

①尽可能降低焊缝能量,控制预热夹层温度。这两个因素决定了焊缝金属的冷却条件,对焊缝区的显微组织有很大影响。总的来说,采用小线能量、多道多层和适当提高焊缝区的冷却速度,有利于改善显微组织,提高冲击韧性,防止热裂纹。但如果层间温度过低,将不利于氢的逸出,存在冷裂纹的风险。因此,控制冷却速度,获得细晶,重点应该放在控制线的能量上。

②采取适当的预热措施。适当的预热措施可以软化硬化层的硬度,提高韧性和抗裂性。

控制焊接工艺,减少微小缺陷数量:认真执行焊接规范,减少微小缺陷,减少熔敷金属量,采用窄间隙焊接也是控制再热裂纹的有效措施。根据上面的讨论,这些微小的缺陷,不超标的,就是应力集中点。因此,在热处理释放应力的过程中,存在应力叠加的原因,从而产生再热裂纹。因此,有必要对这些缺陷进行控制。

焊接残余应力的控制:在热处理蠕变膨胀力的作用下,特别是应力叠加为拉应力时,焊缝中的应力集中点和碳化物引起的析出硬化区后面的晶界薄弱环节无法抵抗应变而产生开裂。因此,在热处理前,降低残余应力的手段也可以减少再热裂纹的产生。(1)采用中途中间热处理。②采用高频超声冲击法。两种方法都能有效降低焊接残余应力。

焊后热处理:焊后热处理时,应控制加热和冷却速度,使其缓慢而均匀地膨胀和收缩,以减少再热裂纹的产生。

03

用于检测和识别缺陷的方法

一般表面探伤只能说明有无缺陷。为了确定缺陷的真正原因,需要采用以下方法进行检查:

双相金相法:双相金相法常用于现场无损检测。当工件振动或零件较窄时,可采用复型金相法。制备的复制品易于长期保存,可在实验室用显微镜进行观察、分析和拍照。大型工件的金相检验仪器最好与复制金相法结合使用。

04

被测零件表面样品的制备

复合材料可以是1 ~ 2mm厚的有机玻璃板,也可以是醋酸纤维或硝酸纤维薄膜(AC纸)。有机溶剂可以是氯仿、丙酮、乙酸乙酯等。

根据需要的尺寸把薄膜切成小块。操作时,在准备好的样品表面滴加适量有机溶剂,迅速盖上有机玻璃板或薄膜,用手指或橡胶轻轻按压,使气泡逸出。待其充分干燥后,即可取下观察拍照。

为了增加组织的对比度,蚀刻的表面可以稍微深一些,或者可以在有机溶剂中加入适量的着色剂。

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大型工件金相检验仪器的显微检验

显微镜检查包括蚀刻前检查和蚀刻后检查:蚀刻前,主要检查样品是否有裂纹、非金属夹杂物和样品制备过程中产生的缺陷;蚀刻后,主要检查样品的微观结构。

观察时,一般用75 ~ 100倍的显微镜观察宏观结构的全貌。当有必要观察精细组织时,选择合适的高倍放大倍数。

06

和管道部件的显微镜检查。

a .识别材料中非金属夹杂物和微裂纹的类型,观察它们的形态和分布,并测量它们的数量和大小。

b .鉴别标本显微结构的组成,各种组织的形态、分布和数量。对晶粒度、带状组织、非金属夹杂物、魏氏组织、球化组织和脱碳层进行了评价。

c .识别显微组织特征,确定热处理工艺状态,必要时为重新制定热处理工艺提供依据。

d .确定上述缺陷与检测到的裂纹之间是否存在关联等。

因为再热裂纹不是在焊接过程中产生的,而是在热处理或操作中产生的,具有一定的隐蔽性,进而发生事故是不可预测的,会造成更大的损失。因此,在特种设备的早期设计、制造和检验中,必须提前考虑再热裂纹。


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