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P355GH封头加强板焊接裂纹分析及工艺改进
[ 编辑:admin | 时间:2016-05-23 04:33:18 | 浏览:1538次 | 来源: | 作者: ]
较厚的P355GH钢材具有一定的淬硬倾向,焊接时容易产生裂纹。本文对实际生产过 程中P355GH板材的焊后裂纹进行分析,通过工艺优化及焊序调整,有效抑制了其焊接裂纹 的产生。
1前言
      P355GH钢板为欧标容器板,其执行标准为EN10028,组织成分和性能与德国标准里的19Mn6以及国标中的Q345R比较接近。该板材为中高压锅炉用钢板,主要用于制造锅炉上的筒体、封头等。

2材料的化学成分、力学性能
      表1和表2分别列出了P355GH的化学成分以及力学性能。

                       表1 熔炼分析P355GH化学成分(%)

C
Si
Mn
P
S
N
Cr
0.10~0.22
≤0.60
1.10~1.70
≤0.025
≤0.015
≤0.012
≤0.30
Cu
Mo
Nb
Ni
Ti
V
Cr+Cu+Mo+Ni
≤0.30
≤0.08
≤0.02
≤0.30
≤0.30
≤0.02
≤0.70

 

表2  P355GH力学性能

厚度t/mm
屈服强度/MPa
抗拉强度/MPa
伸长率/%
冲击吸收能量/AKV·J-1
-20℃
0℃
20℃
≤16
≥355
510~650
≥20
≥27
≥34
≥40
16﹤t≤40
≥345
40﹤t≤60
≥335
60﹤t≤100
≥315
490~630
100﹤t≤150
≥295
480~630

 

该材料的化学成分与国内的Q345R相近,但是,由于其组织成分里含有微量的Cr、Ni、Cu、Al(根据EN10028-2规定,熔炼Al含量至少是N含量的2倍)元素,它的焊接性能比Q345R要差一些。

3实际生产中产生的问题
       我公司在生产2台150吨的烟煤循环流化床A级锅炉时,封头和加强板的材质都为P355GH。封头壁厚90mm,加强板最大壁厚55mm。其结构如图1。
 

                                      图1


       根据焊接位置和焊接方法,该角焊缝分为3个部分,焊缝1是加强板内侧的焊条电弧焊,焊缝2是外侧的焊条打底焊(因底部间隙过小埋弧焊导电嘴无法直接伸入进行焊接),焊缝3是外侧的埋弧焊,用于填充焊和盖面焊。

       焊接第一台的两个封头加强板时,手工焊先焊接焊缝1,之后是焊缝2,最后转到自动焊组焊接焊缝3。在焊接完成后发现焊缝1有裂纹,挑缝时发现裂纹在整条焊缝上断续分布。为保证产品质量,该处焊缝全部挑掉后重新焊接。

3.1原因分析
      由于裂纹是在焊后逐渐出现,同时根据焊缝中裂纹的位置,小部分裂纹在焊缝母材交界处与焊道平行,还有的裂纹在焊缝近表层向焊缝深处扩展,推断该裂纹为冷裂纹。

      冷裂纹产生的主要因素:材料本身的淬硬倾向、氢和拘束应力。由此分析该裂纹产生的原因如下:   
(1)通过计算碳当量的数值来评判材料淬硬倾向和焊接性是相对简单有效的方法。对于厚度<20mm的板材,CE<0.4%时淬硬倾向不大,焊接性良好,焊前无需预热,CE=0.4%~0.6%时,钢材具有了一定的淬硬倾向,焊接性也变差。随着板材的厚度增加,其淬硬倾向也相应地增大。
根据原材料质保书中化学元素含量,用国际焊接协会推荐的碳当量公式计算出该批P355GH板材的碳当量为0.439%。而封头壁厚达到了90mm,加强板厚度达到了55mm,可见该批P355GH板材具有了一定的淬硬倾向。

(2)在实际生产过程中,焊接完焊缝1和焊缝2后没有及时进行后热处理,而是对封头加强板直接进行埋弧焊(焊缝3),所有焊缝焊完后才进行后热消氢处理。

(3)焊后整个加强板外围都朝封头侧变形,可以看出焊缝1承受拉力是引起焊缝开裂的主要原因。

3.2工艺措施及优化
(1)焊前准备施焊区及其周围30mm范围内的铁屑、油污等进行清理、打磨干净;焊条和焊剂都进行烘干处理。
(2)焊前预热焊前预热到150℃。
(3)焊接规范选用及焊接顺序的优化
a.手工焊采用Ф4.0mm、Ф5.0mm的E5015焊条,埋弧焊焊丝采用Ф4.0mm的H08MnMoA,焊剂SJ101。
b.焊缝1产生裂纹的主要原因是受焊缝3产生的拉应力影响。为了减小其所受的焊接应力,对焊接顺序进行调整,先焊接焊缝2,焊完后立刻转至自动焊组进行焊缝3的焊接,最后焊接焊缝1。焊缝2的焊接参数见表3。

                    表3 焊缝2的焊接参数

焊缝层次
焊条规格(Фmm)
电源极性
焊接电流(A)
电弧电压(V)
1
Ф4.0
直流反接
150~170
20~25
2~n
Ф5.0
直流反接
200~220
21~26

 

c.焊完焊缝2后,立即转至埋弧自动焊组焊接焊缝3,在焊接焊缝3前,使用测温枪测量层间温度必须在150~350℃之间,温度达不到150℃时,采用火焰加热至温度满足施焊条件。
在保证焊缝无缺陷的前提下,层间焊接电流从原工艺的510~550A调整为480~520A,通过减小焊接电流来减少焊接热输入,从而降低焊接应力,减少焊接变形。埋弧焊具体的焊接参数见表4。

 

                  表4 焊缝3埋弧焊的焊接参数

层次
电源极性
焊接电流(A)
电弧电压(V)
焊接速度(cm/min)
1
直流反接
450~480
26~28
35~40
2~n-1
直流反接
480~520
28~30
36~38
n
直流反接
480~520
30~32
36~38

 

(4)为降低焊缝应力,同时有效消除焊缝2、3中的氢含量,焊缝3焊接完毕后立即进行后热处理。由于位置限制,使用加热片后热时保温效果不佳,改用退火炉进行更为有效的后热处理。后热温度为320℃,保温时间为2小时,保温完成后炉冷。

       (5)焊接焊缝1,焊前再度清理焊缝周围铁屑及氧化渣,预热至150℃后施焊。为避免焊接线能量过大造成近缝区晶粒粗大以及焊接接头的抗裂性能降低,焊条改用Ф4.0mm的规格,施焊时确保层间接头错开。焊接参数见表5。

              表5  焊缝1的焊接参数

焊缝层次
焊条规格(mm)
电源极性
焊接电流(A)
电弧电压(V)
1
Ф4.0
直流反接
140~160
20~25
2~3
Ф4.0
直流反接
150~170
20~25
4
Ф4.0
直流反接
150~170
20~25

 

(6)焊缝1焊接结束后,立刻将封头装进退火炉进行后热,考虑到焊缝2、3之前已经后热,而焊缝1厚度亦不大,故在320℃保温1小时后炉冷。

       (7)检验焊后24h后通过强直流磁场对内外焊缝做MT未发现裂纹,焊后48h二次做MT也没有发现裂纹,焊后72h后对焊缝做MT、RT均没有发现裂纹。

4结论
         P355GH钢材具有一定的淬硬性,特别是规格较厚的该类板材,焊后容易出现冷裂纹。但是通过严格的焊前清理、预热,以及及时有效的后热处理,加上合适的焊接顺序来减小焊接应力,可以有效防止该类材料焊接冷裂纹的产生。

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