压力容器焊接过程中缺陷产生及预防措施

亭 压力容器焊接过程中 缺陷产生及预防措施 P 鸸s s s s 们 鹏 p G s s W g D f e c p 删 s 文 西安核设备有限公司 郗峰波 摘要：压力容器焊接是保证压力容器致密性和强度的关键。压力容器焊接日 寸 缺陷产生原因的分析和防 止措施是保证焊接质量的重要保障。本文详细介绍了压力容器在实际焊接操作过程中常见的几种缺陷并 提出在焊接前的预防措施。 关键 词 ：压力容器焊接 ；缺 陷 ；防止措施 压力容器焊接是保证压力容器致 密性和强 度的关键，是保证压力容器质量的关键 ，是保 证压力容器安全使用和作业的重要条件。焊缝 中的缺陷是指一种欠缺、不足 、不完善的地方 ， 也就是物体的缺陷或损伤。焊接缺陷则可定义 为焊接措施所导致的有碍工件使用性能的不连 续性。然而，由于多种原因，在焊接过程中往 往难免会在焊接接头区域产生各种焊接缺陷， 这是一种潜在的隐患，在不少场合中会给结构 带来不可忽视 的威胁。如果产 品焊缝 中存在着 缺陷 ，就有可能造成渗漏 、泄漏 ，甚至能引起 压力容器的爆炸，造成人员伤亡和国家财产的 重大损失。近年来 ，据对压力容 器严重泄漏和 爆炸事故调查表明，9 0 的事故都是从焊缝缺陷 处开始的。在小型压力容器生产厂中，压力容 器焊接质量尤为突出 ，在对压力容器进行检验 的过程中，对焊缝的检验非常重要。因此应在 生产过程中及早发现缺陷，把焊接缺陷限制一 定范围内，以确保压力容器的安全使用。 由上述可见 ，在工程上认识焊接缺 陷的性 质、形成机理、影响因素及防治方法 ，对于确 保压力 容器 的安全可靠性就显得 十分重要 。压 力容器焊缝中的焊接缺陷种类很多，按其位置 不同，可分为外部缺陷和内部缺陷。在焊缝中 常见的缺陷有气孑 L 、咬边、未熔合、未焊透、 焊接裂纹、夹渣、弧坑、烧穿、焊瘤、过热 、 过烧 、焊缝的形状缺陷 、焊缝的尺寸缺陷等。 1 气 孔 气孔是在焊接过程中，熔池金属的气体在 金属冷却 以前未能来 得及逸 出 ，而在焊缝金属 中 ( 内部或表面 )所形成的空穴。焊缝内部存 在的近似于球型或筒形的空穴称为内部气孔； 焊缝表面存在 的近似于球型或筒形 的开孔空穴 为表面气孔 ，如图1 所示。 根据气孑 L 产生的分布和数量，可把气孑 L 分 作者简介 ： 郗 峰波 ( 1 9 7 5 一)，男 ，工程 师，西安核设备有限公司从事压 力容器焊接工艺研究工作。 J 一62现代焊接 2 0 1 4 年第1 1 期 总第1 4 3 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 为疏散气孔 、密集气孔和连续气孔 。不 同的焊 接方法产生气孔的形状、大小和密集程度也不 相同，自动焊产生的气孔较大，手工焊产生的 气孑 L 较小，C O ， 产生气孔较多。气孔较容易产生 在焊接飞溅较多的部位和在焊接中焊条的收弧 部位 。气孔也常常 出现于焊缝表面 ，其 断面多 为螺钉状，当存在于焊缝内部时，则为圆形或 椭圆形 ，并且在气孑 L 的四周有光滑的内壁 。 气孑 L 产生的主要原因是 ： 坡口边缘不清洁， 有水分、油锈等污物，焊条或焊剂未按规定烘 干，焊芯锈蚀或药皮变质、脱落等，此外在焊 接过程中焊接电弧保护不好，选择的电压太高， 电弧长度过长，焊接速度过快 ，埋弧 自动焊电 压过高等，都易在焊接过程中产生缺陷，都会 使熔池内进入空气 ，形成气孔。由于气孔的存 在 ，在一定 的程度 上减少 了焊缝 的工作截面 ； 穿透性气孔 或气孑 L 与其他缺 陷的叠加造成贯穿 性缺陷，破坏焊缝的致密性 ，过大的气孔会降 低焊缝的强度。焊缝中的连续气孔则是导致结 构破断的原因之一 ，所以焊缝中的密集气孔是 绝对不允许存在的。气孔的防止措施是：不得 使用药皮开裂、剥落、变质、偏心或焊芯锈蚀 的焊条 ；已经生锈的焊丝必须除锈或重新冷拔 后方能使用 ，各种类型的焊条或焊剂都应按规 定 的温度 和时间进行烘干 ，温度不宜过高或过 低；焊接坡口及其两侧应清理干净油锈等污物； 焊接过程中应选择合适的电流和焊接速度；埋 弧焊时应选择合适的焊接工艺参数，特别是薄 板 自动焊 ，焊接速度尽可能减小 。氩弧焊时要 符合标准要求的氩气；气焊时应选用中性或乙 炔稍多的中性火焰，焊接操作要熟练。 2 夹 渣 焊缝中的夹渣是残留在焊缝金属中的熔渣， 见图2 ，夹渣容易产生在坡口边缘和每层焊道之 间非圆滑过渡的部位。在焊道形状发生突变或 存在的深沟部位也容易产生夹渣。夹渣的几何 形状不规则 ，往往在尖角或棱角 ，易造成应力 亨 图1 焊缝中内外部气孔缺陷 图2 焊缝 中的夹渣缺 陷 集 中，常常是裂纹的起源。同时夹渣也消弱了 焊缝的有效截面积，降低了焊缝的力学性能， 易使焊接结构在承载时遭受破坏，因此夹渣的 危害比气孔更为严重。 夹渣产生的原因是 ：焊缝边缘有氧割或碳 弧气刨残留的熔渣；在焊接过程中熔渣混入液 态金属熔池时，由于焊接电流小、熔池温度低、 液态金属粘度大 、焊接速度过快 ，所 以在液态 金属中凝固时熔渣来不及浮出而产生的夹渣。 在使用酸性焊条时，由于电流小或焊接过程中 焊条运条不当形成 “ 湖渣”；使用碱性焊条时 由于 电弧过长或极性不正确也会造成夹渣 。进 行埋弧焊封底时 ，焊丝偏离 焊缝 中心 ，也易形 成夹渣；坡口形状不规则 ，坡 口尺寸太窄，不 利于熔渣浮出。多层焊时，未清理干净的熔渣 及 自动焊残留焊剂也容易残存在焊缝中形成夹 渣。防止产生夹渣的措施是 ：正确选择坡口尺 寸、认真清理坡 口边缘、选用合适的焊接电流 和焊接速度 、运条摆动要适当。多层焊时，应 现代焊接 2 0 1 4 年第1 1 期总第1 4 3 期J 一 63 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 难发现。裂纹是焊接接头中最危险的缺陷，由 于焊缝裂纹具有尖锐的缺口和大的长宽比的特 点，易引起强烈的应力集中，并具有扩展延伸 的趋势，结构的破坏都是从裂纹开始的。在焊 接过程中要采取一切必要的措施防止出现裂纹， 在焊接后采用各种方法检查有无裂纹。一旦发 现裂纹 ，应彻底 清除 ，清除裂纹时应从裂纹 的 两端 向内打磨 ，以防裂纹 的延伸和扩张 ，清除 后再做表面检测 ，确认将裂纹清除干净，然后 再给予补焊 。 在压力容器中常见的焊接裂纹有热裂纹、 冷裂纹 。焊缝金属 由液态到固态的结晶过程产 生的裂纹叫热裂纹，其特征是焊后立即可见。 且多发生在焊缝中心，沿焊缝长度方向分布。 它的发生和发展都处在高温下 ，从时间上说， 它是产 生在焊 接过程 中。有 的是纵 向，也有 的 是横向的。发生在弧坑中的热裂纹往往是呈星 状 的 ，有 时也会产生在母材 中。当对产生裂纹 处的金相断面作宏观分析时，发现裂纹都发生 在 晶界上 ，因此不难理解 ，热裂纹的外形 是锯 齿形 的，是 因为 晶界就是交错生长的晶粒 的轮 廓线，故不可能是平滑的。 5 1 热裂纹产生的原 因 其一低熔点化合物的偏析，钢种的硫磷杂 质元素通过冶金反应生成的低熔点化合物存在 较严重的宏观偏析现象 ，往往在焊缝中心部位 形成液态薄膜 ，它是产生热裂纹的重要原因。 其二焊接热应力 的影 响 ，焊接过程 中不均匀加 热与冷却产生的拉应力促使液相薄膜破坏而开 裂 ，它是产生热裂纹的又一重要原因。其他因 素的影响，不同物质的热物理特陛都有所差异， 产生应力也不 同，不同的工艺方法及工艺参数 ， 其焊接热输人不同，一次结晶的晶粒粗细，也 会影响焊接应力的大小，焊缝的形成系数对偏 析有较大的影响。这些因素都会造成热裂纹的 产生 。 5 2 防止热裂纹产生的措施 ( 1 ) 控制焊缝的化学成分 ，为 了减少焊缝 亭 形成低熔点化合物的倾向，尽可能控制母材硫、 磷含量，降低焊缝的碳含量，提高焊丝的含锰 量。 ( 2 )改变焊缝组织状态，为了使拉应力作 用下不产生裂纹，常采用向焊缝金属中加变质 剂 ，从而调整焊缝金属化学成分 ，在焊缝中形 成双向组织 ，以打乱焊缝金属的结晶方向，使 低熔点共晶不能集中分布，从而减小热裂纹的 倾向。 ( 3 )工艺措施：严格控制工艺参数，减 慢冷却速度，选择合理的焊接J 顷序和焊接方向， 适当提高焊缝的形状系数，尽可能采用小电流 多层多道焊，以避免焊缝中心产生裂纹。采用 碱性焊条和焊剂，由于碱性焊条和焊剂的熔渣 具有较强的脱硫 能力 ，因此具有较高的抗热裂 能力 。 焊缝金属在冷却过程或冷却以后，在母材 与母材一 焊缝交界处的熔合线处产生的裂纹叫 冷裂纹。这种裂纹较多的发生在低合金钢、中 合金钢和高碳钢的焊缝金属热影响区中。其有 可能在焊后立 即出现 ，也有可能在焊后几小时， 甚至几天 以后 出现 ，这种裂纹又叫做延迟裂纹 。 大 的裂纹不是一下子就生成 的 ，它是先发生几 处小 的 ( 或显微 的 ) 裂 纹 ，然后逐步 向长度或 深度上发展 ，几个小裂纹陆续联系起来。 5 3 冷裂纹产生的主要原 因 ( 1 ) 含氢量的影响，以原子状态存在的氢 能在固态金属中扩散并向原子排列缺陷处聚集， 形成分子氢 ，产生的气体再乘很大的内应力 ， 易于导致开裂。同时氢的存在会显著降低钢材 的塑性，也使冷裂倾向更加明显。 ( 2 ) 淬硬组织的影响，淬硬组织 ( 通常是 马氏体 )塑性和韧性降低，同时组织转变体积 膨胀产生很高的 内应力 ，这种具有高 内应力的 淬硬组织是形成冷裂纹 的敏感机体。 ( 3 ) 应力的作用，焊接残余应力是产生冷 裂纹的重要条件之一，当应力超过断裂强度时， 便会产生冷裂纹。 5 4冷裂纹防止的措施 ( 1 ) 选用低氢型焊条 ，减少焊缝 中的扩散 现代焊接 2 0 1 4 年第1 1 期 总第1 4 3 期J 一65 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 之 友 ， ， ， n， 氢含量 ，对于高强 度钢 ，可采用不锈钢焊条芯 或用奥 氏体镍基合 金等焊条芯和焊丝 ，这些合 金的塑性 比较好 ，可抵 消马氏体转变时造成的 一 部分应力。另一方面氢在奥氏体中的溶解度 较高，扩散速度慢，故氢不易向热影响区扩散 聚集 。 ( 2 ) 工艺措施：彻底清理待焊区域的油锈 等污物 ，保持焊接材料的干燥 ，氩弧焊焊接时 使用纯度合乎要求的保护气体。正确选择电源 的极性，注意操作方法。 ( 3 )根据材料等级 、 碳 当量 、焊件厚度 、 J 一 66现代焊接 2 0 1 4 -if - 第1 1 期 总第1 4 3 期 施焊环境 ，选择合理的焊接 艺参数及线能量 ， 如焊前预热 、焊后缓冷 、采取 多层 多道焊接 、 控制一定 的层间温度。 ( 4) 对C r 、M o 钢材料焊后紧急后热处理 、 以去氢 、消除 内应力和淬硬组织 同火 、改善接 头韧性。 6 其他缺陷 焊接 中还常见到一些焊瘤 、弧坑 、过热 、 过烧 及焊缝外形尺寸和形状上的缺陷。产生焊 瘤的主要原因是运条不均匀，熔池及温度过高 ， 液态金属凝 固缓慢下坠 ，【六 l 而在焊缝表 面形成 金属瘤 ，立 、 仰焊时 采用过大的电流和弧长 ， 也有可能出现焊瘤 。产生弧坑的原因是熄弧时 间过短或焊接过程突然 中断或焊接薄板时电流 过大等。焊缝表面存在焊瘤影响美观，并易造 成表面夹渣 ；弧坑常伴有裂纹和气孔 ，严重削 弱焊缝强度 。防止产生焊瘤 的主要措施是严格 控制熔池温度 ，立 、仰焊时 ，焊接 电流 比平焊 要小1 ( 1 5 ，使用碱生 焊条时应采取短弧焊接， 保持均 匀运 条。防止产生弧坑 的主要措施是在 于工焊 收弧时 ，焊条要经短 a ,l l司停 留或做几次 环形运条。 7 结束语 缺陷的存在对压力容器的运行是非常危险 的 ，因此一旦发现缺 陷要及时进行返修 。对于 气孔的返修，