维普资讯 http://www.cqvip.com 第３７卷第４期 ２００８年７月 ＋“＋”＋“＋“＋“＋“、 石油化工设备 ＶｏＬ ３７ ＮＯ．４ ＰＥＴＲ０一ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ Ｊｕｌｙ ２００８ ｊ制造技术ｊ ｋ．．＋．．＋．．＋ ＋．．＋ ＋ 文章编号：１０００—７４６６（２００８）０４—００６１—０５ 大厚度异种钢焊接接头焊接裂纹 形成原因及对策 郭 晶 ，程惠君 （１．大连日立机械设备有限公司，辽宁大连１１６０３２； ２．大连宝原核设备有限公司，辽宁大连 １１６０３２） 摘要：从焊接过程中横向焊接应力的形成及发展的角度分析了大厚度异种钢焊接接头裂纹形成的 原因，并在此基础上提出了防止出现这类焊接裂纹的措施，对类似工况的压力容器和设备建造有一 定指导作用。 关键词：压力容器；裂纹；焊接应力；异种钢接头；预堆焊隔离层 中图分类号：ＴＧ ４４１．７；ＴＧ ４４１．８ 文献标志码：Ｂ Ｃａｕｓｅ ｏｆ Ｃｒａｃｋｉｎｇ ｉｎ Ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔｙ Ｍｅｔａｌ Ｗｅｌｄ Ｊｏｉｎｔｓ ｗｉｔｈ Ｇｒｅａｔｅｒ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｎｄ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ＧＵＯ Ｊｉｎｇ ，ＣＨＥＮＧ Ｈｕｉ－ｊｕｎ （１．Ｄａｌｉａｎ Ｈｉｔａｃｈｉ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｄａｌｉａｎ １１６０３２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｄａｌｉａｎ Ｂａｏｙｕａｎ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｄａｌｉａｎ １１６０３２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ｗａｓ ｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｉｔｓ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｗｅｌｄ ｄｅｐｏｓｉｔｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｗｅｌｄ ｇｒｏｏｖｅ，ｂｙ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｏｆｔｅｎ ｆｏｕｎｄ ｉｎ ｔｈｅ ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔｙ ｍｅｔａｌ ｗｅｌｄ ｊｏｉｎｔｓ ｗｉｔｈ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｈａｓ ｇｏｔ ａ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒ— ｓｔａｎｄｉｎｇ，ｔｈｒｅｅ ｃｏｎｃｅｐｔｓ ｔｈａｔ ａｒｅ ｕｓｅｆｕｌ ａｎｄ ｈｅｌｐｆｕｌ ｉｎ ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｗｅｌｄ ｊｏｉｎｔｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌｓ ａｎｄ ａｌｌｉｅｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｓ ｇｕｉｄ— ａｎｃｅ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌ；ｃｒａｃｋｉｎｇ；ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ；ｄｉｓｓｉｍｉｌａｒ ｓｔｅｅｌ ｗｅｌｄ ｊｏｉｎｔ；ｂｕｔｔｅｒｉｎｇ 在不锈钢复合钢板制造的压力容器产品中，由 于小直径接管内表面堆焊不锈钢耐蚀层有困难，不 接管与容器本体焊接。但即使这样做，也还时常出 现裂纹，也就是说，裂纹并没有因预先堆焊了隔离层 而消除。 文中通过对具体事例进行分析研究，找到了从 根本上解决大厚度异种钢焊接接头易产生裂纹的办 得不直接采用整体不锈钢锻件或管材。当容器壁厚 大到一定程度时，焊接应力的发展会达到或超过容 器本体复合钢板基层材料中，因碳元素扩散形成的 脱碳层部位的抗拉强度而导致开裂。目前一般的做 法是在复合钢板部件坡口表面的碳钢或低合金钢部 分预先堆焊一层不锈钢隔离层，然后再插入不锈钢 收稿日期：２００８—０２—１０ 法，即控制焊接过程中焊接横向应力的发展，使最终 达到的最大焊接横向应力不要超过材料最薄弱环节 的承受能力。 ：作者简介：郭晶（１９３７一），男，山西洪洞人，研究员级高级工程师，长期从事压力容器和核设备焊接工艺工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com
石油化工设备 ２００８年第３７卷 ｌ 产品简介 某压力容器封头外直径 ２ ３７０ ｍｍ，由（８５＋ ５）ｍｍ厚的１６ＭｎＲ＋００Ｃｒｌ７Ｎｉｌ４Ｍｏ２复合钢板热 压成型。其上有Ｎ 、Ｎ 、Ｎ 、Ｐ和Ｔ ５个接管，见图 但当焊满正面坡口进行清根时，发现正在制造 的３台容器封头，每只上４个小直径接管的接头背 面都有裂纹，而且都在封头１６ＭｎＲ一侧母材的热 影响区内。清除裂纹过程中观察表明，开裂深度都 超过了封头基层材料厚度的一半，见图３。据制造 １。Ｎ 位于封头中心，公称直径４５０ ｍｍ，材料为 １６ＭｎＩＶ锻件，内表面堆焊３１６Ｌ型不锈钢耐蚀层， 采用嵌入式结构，与封头以对接接头形式连接。其 厂称，近几年制造同种或同类设备时经常出现这类 裂纹。 余４个接管均布在直径为１ ５４０ ｍｍ的圆周上，公 称直径分别为４Ｏ ｍｍ、８０ ｍｍ、１００ ｍｍ和１５０ ｍｍ， 名义厚度均为６０ ｍｍ，材料为Ｏ０Ｃｒ１７Ｎｉ１４Ｍｏ２Ⅲ 整体锻件，接管与封头采用插入式接头形式连接，见 图２。 图１封头和接管的结构 Ｌ一一 ．＿．一 图２非中心小接管与封头间接头形式 由图２可以看出，４个小接管与封头连接的焊 接接头坡口接近单面半Ｖ形。绝大部分焊缝金属 填充在正面坡口中。制造厂采用的工艺是先焊满正 面坡口后从背面清根，再焊接填充背面清根形成的 坡口。 图３ 裂纹发生在封头一侧复合钢板 基层材料１６ＭｎＲ热影响区内 ２ 原因分析 ２．１ 拘束度 焊接裂纹只出现在位于封头非中心位置的４个 小接管的焊接接头上，而中心接管Ｎ 没有发现过 此裂纹。 影响接管焊接接头拘束度的因素比较见表１。 从表１中不难看出，无论哪一方面对４个小接管都 不利。由此可以解释裂纹只发生在４个非中心位置 小接管的焊接接头上这一事实。 在影响拘束度的３项因素中，第１项和第２项 无法改变，是设备设计条件所决定的。仅第３项，即 坡口形式，制造厂还有一定可以发挥作用的余地，即 通过改变坡口形式来影响接头拘束度（见后面的第 ３．３节）。 表１ ５个接管焊接拘束度的影响因素 ２．２ 冶金因素 铬镍奥氏体不锈钢与碳素钢或低合金铁素体钢 维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期 郭晶，等：大厚度异种钢焊接接头焊接裂纹形成原因及对策 ・６３・ 焊接时，通常采用Ｃｒ、Ｎｉ质量分数较高的不锈钢填 充材料。在这种情况下，由于不锈钢焊缝金属和碳 素或低合金钢在铬质量分数和碳质量分数方面的差 异，碳原子会越过熔合线，在熔合线附近奥氏体钢焊 缝金属一侧形成增碳层，在碳素钢或低合金铁素体 钢母材一侧留下一个脱碳层。该脱碳层的硬度和强 度都比较低，当焊接应力发展到超过其抗拉强度时， 便会将其拉断形成裂纹。由此可以解释裂纹为何出 现在封头母材１６ＭｎＲ钢一侧近缝区内这一事实。 这种局部形成低强度脱碳带是由相邻接材料的自然 属性决定的，在这一点上也几乎没有可以施展作为 的空间。 ２．３ 应力因素 裂纹出现在接管与封头连接焊缝的周围，显然 是由焊接横向应力引起的，所以以下的分析仅涉及 不同情况下的横向焊接应力。 另外为了表述和理解上的便利，接头形式完全 按单面坡口考虑。不锈钢层对考察的问题无关，也 忽略不予表示。 ２．３．１焊接过程中应力的形成和发展 焊接过程中应力的形成和发展应考虑如图４所 示三方面因素。图中， 为根部应力， 为表面应 力，下角标１～３表示随着焊缝厚度增加，焊缝横向 应力在３个厚度的变化值。 ＿－ ． ．＝一 口ｎ 一＼① 应力一一 ：应力＋ Ｉ （ａ）焊完第１道后的 Ｆ１和 Ｒ１ （ｂ）坡口填接到一定深度后的Ｏ蒜 ＇Ｆ２和 Ｒ２ （ｃ）坡Ｉ＝Ｉ填满后的Ｏ＇Ｆ３和Ｏ＇Ｒ３ 图４焊接过程中焊缝表面 和焊缝根部横向应力的形成和发展 （１）焊接应力是由于在拘束条件下，焊缝金属从 凝固后的极高温度冷却到环境温度的过程中不能够 自由收缩而产生的，所以每一焊道焊完冷却后，其表 面承受的都是拉应力，其大小与该焊道表面所在深 度处的坡口宽度成比例。在图４中表现为 ＞ ≥ Ｆｌ。 （２）由于任何一道焊的上下宽度都不相同，冷却 后最终产生的收缩量也不相等。因而，熔敷任何一 道焊道后都会引起角变形或者产生引起角变形的潜 在动力，这些都将在焊接接头背面层诱发拉伸应力， 此应力随着焊接坡口的逐层填充而加大。与前面讨 论过的因焊缝金属在拘束条件下收缩产生的拉应力 不同，它是可以积累的。在图４中表现为 。＞ 砣 ＞Ｏ＇Ｒｌ。 考察中发现的接头开裂正是由该应力引起的。 裂纹发生在接头背面，而不是正面这一事实说明，当 坡口从正面填充到一定深度时，背面由于角变形或 角变形趋势产生的拉伸应力已经超过了焊缝正面的 收缩拉应力，即 Ｒ。＞ 。。 （３）任何一个时刻同一截面内，同方向的焊接应 力都应该是自己平衡的，有拉应力就必然存在压应 力。即使只熔敷了一道焊道也不例外。所以第１道 焊道熔敷之后，焊道内的横向焊接应力应如图４ａ所 示。为了表现方便，把第一道焊道画得特别厚。其 余第②和第③区不是一次焊成的，尽管看起来它们 的厚度和①区差不多。 ２．３．２ 裂纹形成和扩展过程中焊接应力的 变化 当焊接应力达到或超过材料或材料薄弱部位的 抗拉强度时，材料就会破裂形成裂纹。随着裂纹的 形成，裂开部分的焊接应力随即解除，而未开裂部分 的焊接应力也随之发生变化。 对文中考察的对象，裂纹的形成会使焊缝正面 的拉应力减小，即 ＜ 。，见图５。图中 为裂纹 处表面应力， 为裂纹处根部应力。 （ａ）裂纹启始前 （ｂ）裂纹启始后 图５裂纹形成过程中焊接横向应力的变化 维普资讯 http://www.cqvip.com 石油化工设备 ２００８年第３７卷 从图５可以看出，裂纹发生在接头的背面。裂 坡口最大宽度就减小了一半，从而使最后熔敷的焊 纹启始前 和 Ｒ。都很大，裂纹启始后开裂部分焊 接应力消失，ｆｆＦ。和ａ｜Ｒ。都相应减小。只要裂纹还没 有穿透整个焊缝厚度，使接头朝向正面发生角变形 道承受的拉应力也降低了一半。 从正反两面轮流对称焊接坡口，可以不产生或 最大限度地减小角变形，或减少引发角变形的潜在 的趋势就存在，这种趋势将一直会使裂纹根部保持 拉应力。尽管应力 小于未开裂前焊缝根部应力 ａ｜Ｒ。，但裂纹尖端的三向应力状态仍会使裂纹扩展。 动因，从而避免或最大限度地减小因角变形或角变 形趋势产生的附加应力。这种方法虽没有直接实践 证明，但效用是显而易见的。只是双面坡口加工稍 微困难了一些。 直到裂纹根部的拉应力变得足够小时，裂纹的扩展 才会停止。 ３ 解决方法 ３．１ 增加中间消除应力热处理 这种方法的有效性已在制造中的３台封头上的 ｌ２个已经出现裂纹的接管的焊接实践得到了证明。 只是如果中间消除应力热处理能安排在正面坡口焊 接填充到厚度超过一半、但不到２／３时就进行，效果 会更好，这时裂纹还不会形成。在本次考察的１２个 接管中，有部分清根深度已达到甚至超过了厚度的 ２／３，中间消除应力热处理后焊接没有发生裂纹。据 此推断，从开始焊接到焊接至厚度的２／３也不应该 出现裂纹。 中间消除应力热处理相当把一条厚度大的焊缝 分成了２条相互垒加，但厚度相对减小了的焊缝来 焊接。因为热处理前后的焊接都是在无应力或低应 力水平下开始的，每次熔敷的焊缝金属厚度又都只 相当部分坡口深度，即母材厚度的一部分，因而每次 焊接最终达到的焊接应力，无论因收缩，还是因角变 形或角变形趋势诱发的拉应力，也都将会比一次焊 满整个坡口深度时小很多。这种方法的缺点是，因 增加了中间热处理而提高了制造成本。 ３．２调整焊接顺序 如果还是单面坡口，可以在正面坡口焊接填充 到稍微超过一半厚度时立即进行背面清根，然后接 着焊接背面清根后形成的坡口，最后再把正面坡口 填满。 清根时由于正面坡口只焊接了刚超过一半的厚 度，因此焊接应力的发展还不足以导致裂纹的形成。 清根又会使得清除部分的焊接应力消除，使未清除 部分的焊接应力水平降低。清根后，重新开始焊接 时的应力水平低，焊完后的应力积累也会相应降低， 从而避免了出现裂纹。但此种方法还需要实践加以 证明。 ３．３ 双面坡口对称焊接 假设坡口角度不变，把单面坡口改为双面坡口， ３．４ 实施方案及结果 对制造中的３台封头上的１２个出现裂纹的管 接头实施了中间消除应力热处理方案，即从背面将 裂纹清除干净后进行中间消除应力热处理，然后再 焊接填充背面因清除裂纹形成的坡口。 结果表明，经过中间消除应力热处理之后ｌ２个 接管与封头连接焊缝再没有发现裂纹。热处理后熔 敷的焊缝金属厚度都在封头基层材料厚度的一半以 上，个别达到２／３。 ４预堆焊隔离层的应用及局限性 ４．１ 预堆焊隔离层的作用 目前国内流行一种预先在碳素钢或低合金钢一 侧坡口表面堆焊隔离层的工艺，见图６。有些单位 甚至把这种工艺当成了解决这类接头焊接裂纹问题 离不开的手段。 图６ 焊接顺序和各区焊接材料选择 稍加分析之后不难看出，堆焊隔离层的作用是 极其有限的。文中分析的３项导致裂纹的任何一项 因素都不会因为预先堆焊了隔离层而有所改变。从 这３项因素来看，堆焊隔离层对防止裂纹没有任何 效用。 当堆焊了隔离层，且隔离层超过一定厚度（例如 超过５ ｍｍ）时口］，就把原来碳钢或铁素体低合金钢 与不锈钢异类钢之间的焊接问题变成不锈钢与不锈 钢之间，即同类钢之间的焊接问题了。 众所周知，奥氏体不锈钢之间焊接不需要预热， 维普资讯 http://www.cqvip.com
第４期 郭 晶，等：大厚度异种钢焊接接头焊接裂纹形成原因及对策 。６５。 或仅需要很低的预热温度，所以堆焊了隔离层后，原 本需要预热，或要求严格控制预热温度才能保证焊 接质量的问题，就变成了可以不预热，或不需要十分 严格控制预热温度就能实现焊接的问题了，简化了 焊接操作。预堆焊隔离层的效用仅限于此，不应把 预堆过渡层的作用过分夸大。 ４．２ 采用预堆焊隔离层工艺需要注意问题 ４．２．１ 堆焊隔离层焊接材料选用 不管在其上堆焊隔离层的母材是碳钢还是任何 一种低合金钢，一律使用３０９型焊接材料，而不必顾 及复合钢板的复层材料和相焊的另一元件材料是何 种不锈钢。因为这一部分，即图６中的①区根本不 涉及耐腐蚀问题。 ４．２．２填充坡口绝大部分焊接材料选用 坡口的绝大部分，即图６中的②区同样不涉及 耐腐蚀要求，所以和①区一样，一律使用３０９型焊接 材料填充，而不必考虑相焊的另一元件材料是何种 不锈钢。 关于上述两点，大多数预堆焊隔离层工艺的采 用者都还拘泥于焊接材料选择的一般原则，根据相 焊的不锈钢元件来选择焊接材料。比如对于图６的 母材搭配，选用３０９ ＭＬ型焊接材料堆焊①区，选用 ３１６Ｌ型焊接材料焊接②区。这样做未免显得有些 呆板，只有朝向腐蚀介质的一面极有限的区域才需 要考虑抗腐蚀问题。以图６所示的接头为例，假设 全用焊条手工电弧焊，整个焊接过程及焊接材料见 表２。 表２采用预堆焊过渡层工艺时的 操作顺序和焊接材料 操作内容 图６区 焊接 域代号 材料 ４．２．３ 预堆焊隔离层的最小厚度 预堆焊隔离层的最小厚度应以后续焊接，即焊 接图６中②、③和④区时任何一道焊道的热影响都 不会波及到复合钢板基层材料为准确定。ＡＳＭＥ 规范ＱＷ一２８３规定的最小厚度为５ ｍｍⅢ。 ４．２．４ 清根 当采用碳弧气刨清根时，局部完全可能把预堆 焊的隔离层清除掉而露出复合钢板的基层材料来， 而这一点又很难被察觉。这时如果按照相焊的不锈 钢元件选择填充②区的焊接材料，如Ｅ３１６Ｌ，那将是 很危险的。多数情况下这一点也可能被忽视。而按 笔者的意见选择焊接②区的焊接材料，就不必担心 这个问题。 ４．２．５ 中间消除应力热处理 焊接这类接头时，裂纹是由于随着坡口的逐层 填充，焊缝根部拉伸应力的累加所致。预堆焊隔离 层并没有改变这种情势，所以即使堆焊了隔离层也 时有裂纹形成。为此，有些单位在堆焊完隔离层后， 即安排进行一次消除应力热处理。 中间热处理确实是防止裂纹的有效措施之一。 但把它安排在刚刚堆焊完隔离层之后就进行，实在 是一种浪费。因为只堆焊隔离层所造成的焊接应力 并不大。 如果结合采用其他两项措施（调整焊接顺序、改 变坡口形式），例如适当调整图６中②区的填充顺 序，即从坡口外侧填充到一定深度后，即安排反面清 根，焊接反面。这样，即使不进行中间热处理，也完 全可能杜绝裂纹的形成。如果坡口深度实在太大， 即使焊接顺序合理，也难以避免焊接应力的过度积 累，需要进行中间消除应力热处理，那也应该安排在 焊接应力发展到一定程度再进行。这是由于热处理 的费用是相当可观的。 ５ 结语 文中定性地分析了异种钢焊接接头焊接时横向 焊接应力的形成和发展，认识到控制该应力的发展 才是防止焊接这类接头时出现裂纹的关键。以此为 出发点，提出了改变坡口形式、调整焊接顺序和增加 中间消除应力热处理这３项防止裂纹的措施。其中 增加中间消除应力热处理已在生产实践中得到了 验证。 预堆焊过渡层的工艺可以简化这类接头的焊接 操作，但在防止裂纹方面作用是有限的，而且还有一 些相关问题需要仔细考虑。 参考文献： ［１］ＡＳＭＥ－－２００４，Ｂｏｉｌｅｒ ａｎｄ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｖｅｓｓｅｌ Ｃｏｄｅ（Ｓｅｃｔｉｏｎ Ｉｘ）［Ｓ］． （许编）
