焊接参数对SA335 P91 炉管根部焊道热循环参数的影响
西安交通大学(710049) 黄嗣罗 张建勋 薛 勇
茂名石化机械厂(525024) 陈宗强 曾旭东
摘要 测试了各种焊接工艺参数对SA335 P91炉管全位置打底焊左右焊道交汇时小孔闭合处的热循环曲线的影响。分析结果表明,电弧在闭合小孔处停留时间thole对小孔闭合处的焊接热循环曲线主参数峰值温度Tmax和高温停留时间Δt800的影响最为显著,其次是焊接电流I ,再其次是焊接速度v ,而预热温度T0 的影响不明显。过长的thole和过大的焊接电流I都会导致该处结晶组织粗大,方向性强是产生结晶裂纹的主要原因。
关键词: SA335 P91 炉管 结晶裂纹 热循环曲线
某油建公司在制造北方某大型乙烯改扩建项目设备时,裂解炉对流段的超高压蒸汽过热器的材质为SA335 P91,规格为<73. 3 mm ×9 mm,焊后进行X射线检测时,发现部分焊口存在裂纹,导致大量返修,对工期造成了较大的影响。
对该工程中出现的焊接根部裂纹进行了分析,认为其裂纹属于结晶裂纹,并指出粗大的、方向性极强的单向奥氏体胞状树枝晶、闭合区内晶界上硫、磷等晶间偏析元素含量高、偏析严重以及闭合区较高的应力集中是裂纹产生的主要原因[ 1 ] 。
显然,裂纹产生的原因与焊接工艺参数紧密相关。所以,本文将通过测试焊道裂纹所在闭合小孔处的焊接热循环曲线用以分析焊接工艺对裂纹形成的影响。
1 试验材料和方法
1. 1 试验准备
试验选用的SA335 P91钢管由日本住友金属公司生产,规格为φ73 mm ×9. 53 mm,考虑到能有效固定热电耦,把钢管切开、压平,制作成板对接形式以模拟管对接接头。因为,焊道根部裂纹主要发生在全位置焊左右焊道交汇时闭合小孔处,如图1所示,那么,用板状试件模拟时,主要测试中心小孔F处的温度。分别在板两端和中间点焊三小段,并在中间处点焊接位置的中心打φ4 mm ×3 mm的平底小孔用以固定热电耦,如图2所示。焊接材料的化学成分见表1。
1. 2 试验装置
焊接热循环数测试硬件系统包括微型计算机、单Pl - Rh热电耦丝、温度变送器(带数字显示) 、集成了放大和滤波器件的A /D接口板和智能采集卡。
其原理框图如图3 所示。测试时,首先从试板C 端向右端施焊,焊至焊道中心测试孔的左边缘D 点处收弧,停留60 s后,从E端向左端施焊,焊至中心孔处F点,作不同时间的停留后熄弧。焊接工艺参数主要包括:焊接电流、焊接速度、预热温度、小孔停留时间(电弧在该闭合小孔处停留的时间定义thole ,以下同)等,每次试验时,只变化其中一个参数,就可以比较准确的了解各焊接参数对焊缝闭合小孔处焊接热循环曲线的影响规律。
2 试验结果与分析
2. 1 试验结果
对4个主要焊接参数进行不同的变换与组合,测得闭合小孔处的焊接热循环曲线和峰值温度Tmax以及从800 ℃开始上升经过峰值温度降至800 ℃的时间Δt800 ,其结果见表2。
2. 2 不同小孔停留时间与不同焊接电流对焊接循环曲线的影响
分别选取0, 5, 8 和10 s四种小孔停留时间, 用100, 130, 150 A三种电流进行焊接试验,测得的小孔处焊接热循环曲线如图4所示。
显然,随着I的增大, 焊接热循环曲线中Tmax和Δt800都有明显的提高; 同样, 随着thole的增大, Tmax和Δt800也有明显的提高,这说明I和thole是影响小孔闭合处焊接热循环曲线的主要参数。图5和图6是分别揭示了焊接电流I和Δt800以及thole和Δt800的关系。从这两个图的对比中可以看出,Δt800随thole的上升速度要比Δt800随I的上升速度快。所以, thole对Δt800的影响要比I对Δt800的影响大。
2. 3 焊接速度及预热温度对焊接热循环曲线的影响
从焊接热输入的计算公式可以知道,焊接速度的变化会引起焊缝热输入的变化,从而导致焊接热循环曲线的变化,预热温度的提高意味着增加了热输入量,图7和图8分别表明了二者变化的结果。从图7中可知,随着焊接速度v的降低,小孔闭合处的Δt800和Tmax呈上升趋势。v与Δt800 的关系如图9所示。与图5和图6相比,焊接速度对焊接热循环曲线的影响远没有焊接电流和小孔停留时间显著。从图8来看,预热温度对焊接热循环曲线的影响则非常微弱。
3 分析与讨论
在焊接热源的作用下,焊件上某点的温度由低而高,达到****值后又由高至低的变化过程称之为焊接热循环,它是描述焊接过程中热源对母材金属的热作用过程,主要包括加热速度、最高加热温度、在相变温度以上停留时间以及冷却速度(本文主要研究Δt800和Tmax ) 。
加热最高温度决定了该处金属是否相变和奥氏体化程度,如果温度过高,还决定晶粒长大程度和碳化物溶解程度,这直接决定了焊后组织。高温停留时间越长,晶粒长大越严重。焊接热源即焊接电弧在某点(处)保持时间的长短,实际上是表示该点被热源加热的时间的长短,也说明了热量在此处迅速积累,形成温升。所以,电弧在小孔闭合处停留时间对该点最高温度和高温停留时间两个焊接热循环主参数将产生重要的影响。thole越长,Tmax和Δt800就越大,焊缝金属的晶粒尺寸也就越大,焊接电流也有同样的效果,但作用没有thole那么激烈。
根据前面的分析,选择表2中编号为003及012两种焊接工艺焊接大量试板,经X射线检测, 003号工艺焊的试板未发现裂纹,但012号工艺则发现了裂纹,对它们分别取样进行微观金相和电镜扫描分析, 结果如图10～12所示。显然,同样是150A焊接电流施焊,如果电弧在闭合小孔处不作停留时,接头没有发现裂纹,晶粒尺寸也较细,但当闭合小孔处电弧停留时间达到10 s时,有的焊口在该点产生了裂纹,从图10中可以看到裂纹面上结晶组织晶粒粗大,柱状晶发达,断口上柱状树枝晶的方向、枝晶形貌清晰可见,树枝晶界晶界面相当圆滑,其断口特征为典型的冰糖葫芦状断口,而且其一次结晶组织是与结晶主轴方向基本一致的单向粗大奥氏体,方向性极强。
这表明裂纹是在高温下由于晶界处液膜分离所形成的, 而且方向性强的柱状树枝晶有利于S, P 等元素的偏析,从而促使晶间液态薄膜的形成并能够保持很好的连续性,为热裂纹的产生提供了必要条件。这一点与文献[ 1 ]中的论述是一致的。当然,为了确保左右焊道汇合处的焊接质量,电弧在这里作适当的停留有利于熔池的充分形成及其内部液态金属的充分流动,并保证熔合良好,故在一定电流下让电弧在该处作适当停留是必须的。因此,虽然003号工艺试样的金属组织是最细的,也不易产生裂纹,但在试验中也发现这种工艺参数容易产生未熔合等缺陷,试验证明,处于中等程度的编号为005所对应的工艺参数是比较合适的,适中的焊接电流配合和较短的电弧保持时间能使接头熔化良好,不产生裂纹且能保持较高的生产效率。
4 结 论
(1) 采用单Pl - Rh热电耦以及自主设计的焊接热循环曲线测试和数据处理系统以板对接打底焊代替管对接打底焊,较为准确地测得了左右焊道交汇时小孔闭合处的焊接热循环曲线。
(2) 焊接工艺参数中的焊接电流I、小孔闭合处电弧停留时间thole、焊接速度v对焊接热循环曲线的主要参数最高温度Tmax、高温停留时间Δt800有较大影响,其中thole影响最为显著, I次之, v的影响比较平缓;而预热温度T0 的影响不明显。
(3) 在满足正常焊接要求的条件下,过长的小孔闭合处电弧停留时间thole对焊缝组织的危害要比加大焊接电流还要严重,它是导致焊道小孔闭合处产生结晶裂纹的主要原因。电弧在左右焊接交汇处作过长的停留会引起该处晶粒粗大,柱状晶成长方向单一,组织过热严重,在冷却结晶过程中极易产生结晶裂纹。
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