近年来特种设备上低合金高强材料的应用越来越普遍,这与锅炉压力容器高温高压的工况有关,但特种设备在制造过程中往往发现焊缝在热处理后发现裂纹,特别如2.25Cr-1Mo,13MoNiMoR等材料,这引起了制造厂的注意。

1、焊接接头中裂纹的种类很多

结晶裂纹:焊接熔池凝固结晶时,在液相与固相并存的温度区间,由于结晶偏析和收缩应力应变的作用,焊缝金属沿一次结晶晶界形成的裂纹。此类裂纹只发生在焊缝中(包括弧坑)。

液化裂纹:焊接过程中,在焊接热循环峰值温度作用下,在多层焊缝的层间金属与母材近缝区金属中,由于晶间金属/受热重新熔化,在一定的收缩应力作用下,沿奥氏体晶界开裂的现象,有的文献称为“热撕裂”。

高温低塑性裂纹:在液相结晶完成以后,焊接接头金属从材料的塑性恢复温度开始冷却,对于某些特殊的材料,当冷却到一定的温度范围时,由于应变速率和某些冶金因素的相互作用,引起塑性下降,导致焊接接头金属沿晶界开裂。一般发生在比液化裂纹的部位距熔合线更远一些的热影响区。

再热裂纹:焊接后,在消除残余应力热处理或不经任何热处理的焊件,处于一定温度下服役的过程中,在一定条件下产生的沿奥氏体晶界发展的裂纹。事实上再热裂纹是低合金高强钢焊接性要解决的主要问题之一,特别是某些含有较多碳化物形成元素如 Cr,Mo,V,并可产生沉淀碳化物的低合金高强钢和热强钢厚板焊缝中,往往就会在焊后消除应力热处理过程中产生再热裂纹,处理这些缺陷既费工又费时,对生产带来很大影响。下面就再热裂纹的形成机理和制造过程中的预防措施及检验方法进行简析。

2、再热裂纹的机理

再热裂纹的形成,简单来说就是晶内由于强化强度很大而晶界强度较弱,在焊后热处理时,应力松弛时的形变集中加在了晶界上,一旦晶界应变超出了晶界的强度极限时,会导致沿晶界开裂产生裂纹。

(1)再热裂纹形成的内因  焊接时,熔合线附近的热影响区被加热到1200℃左右,尤其是厚板多次被加热后,晶粒粗大,而在冷却时强碳化物析出较慢,同样在埋弧焊时,由于线能量较大,焊缝中间的晶粒也较粗大,在随后的SR处理(480～680℃)过程中,碳化物(V4C3、NbC、MoC等)在晶内弥散沉淀,从而强化了晶内(晶内热强性好),使热处理时,应力松弛时的应变集中加载在晶界上;晶粒粗大,使承载应变的晶界数锐减,同样应变单位晶界应变量大大增加;另外,在焊后SR处理时,低熔点杂质及B、Sb、Sn、As等微量元素偏析于晶界,减弱了晶界的塑性,应变超过晶界的塑性极限就形成开裂。

(2)再热裂纹形成的外因  上面简述了再热裂纹的内因,但要产生再热裂纹还需要外因的存在,外因的产生应该从焊接残余应力和膨胀应力两个部分来考虑。

焊后消应力热处理时,焊接残余应力通过松弛蠕变变形得以降低,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,低熔点化合物、偏析及粗晶脆化区的存在,由于晶界强度、韧性不足,不能抵抗蠕变膨胀变形而产生裂纹失效。

蠕变变形,实际上是一个受热膨胀的过程,在这个过程中是产生膨胀拉应力,来抵消一部分焊接过程中产生的压应力,当冷却收缩时产生收缩力来抵消部分焊接过程中产生的拉应力,从而使应力峰值降低。因此,在焊接区内微缺陷气孔、夹渣等应力集中区,当膨胀力与该区应力叠加后产生高峰值的拉应力,峰值大于材料的强度值时,原来维持不失效的平衡将被打破而产生裂纹。这些应力集中的区域应力分布的状态很复杂,受厚度位置的不同而存在差异,受周围是否有接管等拘束的不同而不同。比如,该种缺陷处于V型坡口焊接时的下部,这些缺陷受的是拉应力,处于上方时,受的是压应力。这也是很多再热裂纹多存在于焊接区的根部的原因。复合堆焊过渡层由于是异种钢的焊接,组织非常复杂,又处于拉应力的区域,故产生的再热裂纹的倾向也是很大的。

预防措施:从再热裂纹的形成机理原因分析,预防的措施有以下几个方面:

严格控制原材料:在原材料的采购上,钢中的Cr、Mo、V、Nb、Ti、B等强碳化物形成元素,对再热裂纹形成有很大影响,需严格控制,还有能形成硫磷共晶物的 S、P 含量,采购焊接材料时也要有同样的要求,这样的措施是解决产生再热裂纹内因的较为有效的措施之一。

选择热裂纹敏感性低的焊接材料(严格控制S、P、 V、Nb等元素含量),焊缝金属强度取下限。

制定合理的焊接规范:

①尽可能地降低焊接线能量,控制预热层间温度。这两者决定了焊缝金属的冷却条件,对焊缝区显微组织有很大影响。一般来讲,采用小线能量多道多层并适当提高焊缝区的冷却速度,有助于改善显微组织、提高冲击韧性、防止热裂纹产生是有利的。但过低的层间温度,将不利于氢的逸出,有产生冷裂纹的危险,因此控制冷却速度,获取细化的晶粒应着重考虑从控制线能量的大小上着手。

②采取适当的预热措施。采取适当的预热措施,可以软化淬硬层的硬度、提高韧性、提高抗裂性。

控制焊接过程,减少微小缺陷量:认真执行焊接规范,减少微小缺陷,减少熔敷金属量,采用窄间隙焊也是控制再热裂纹的有效措施。通过上面的论述,这些微小缺陷,不超标的缺陷,由于是应力集中点,因此,在热处理释放应力过程中,有应力叠加的原因,造成再热裂纹。因此,控制这些缺陷也是必要的。

控制焊接残余应力:焊接残余应力在热处理蠕变膨胀力作用下,特别是在应力叠加为拉应力的情况下,焊缝中的应力集中点,碳化物产生的沉淀硬化区后晶界的薄弱环节,抵抗不了应变造成开裂。因此在热处理前,减小残余应力的手段也能减少再热裂纹的产生。①采用半道中间热处理。②采用高频超声波冲击法。这两种手段都能有效地减少焊接残余应力。

焊后热处理:在焊后热处理过程中,控制升温以及降温的速度,以较缓慢均匀地膨胀、收缩,减小再热裂纹的产生。

3、检验检测鉴别缺陷的方法

一般使用的表面探伤只能指定有无缺陷,要能确定缺陷产生的真正原因还需要用下列方法进行检验:

复型金相法:复型金相法常用于现场的非破坏检验。当工件处于振动或部位窄小时,可用复型金相法。制取的复型易长期保存,且能在试验室用显微镜进行观察分析和拍照。用大工件金相检查仪与复型金相法配合使用效果更好。

4、被检部位表面试样制备

复型材料可用1～2mm厚的有机玻璃片,也可用醋酸纤维或硝酸纤维薄膜(AC纸)。有机溶剂可用氯仿、丙酮、醋酸乙脂等。

先将薄膜按所需大小截成小块。操作时,在已制备好的试样表面上滴加适量的有机溶剂,并迅速覆盖有机玻璃片或薄膜,用手指或胶皮轻轻压紧,使其间的气泡逸出。待其充分干燥后,即可取下,进行观察、拍照。 

为了增加组织衬度,被检表面浸蚀可略深一些,或在有机溶剂中加入适量着色剂。

5、用大工件金相检查仪微观检验

微观检验包括浸蚀前的检验及浸蚀后的检验:浸前主要检查试样有无裂纹、非金属夹杂物及制样过程中所引起的缺陷;浸蚀后,主要检验试样的显微组织。

观察时,一般先用显微镜的75～100倍观察低倍组织全貌。需观察细微的组织时,再选用适宜的高倍率。

6、管道和部件的微观检验

a 鉴别材料中非金属夹杂物、显微裂纹的类型,观察其形态和分布,测量其数量和大小。

b 鉴别被检件显微组织的组成,各种组织的形貌、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、脱碳层等作出评定。

c 鉴别组织特征,判定热处理工艺状态,必要时为重新制定热处理工艺提供依据。

d 鉴别以上缺陷与所检裂纹之间有无关联等。

由于再热裂纹不是在焊接过程产生,而是在热处理或运行时产生的,因此再热裂纹有一定的隐蔽性,进而出现事故具有不可预见性,进而会造成更大的损失。所以必须在特种设备的前期设计、制造、检验等各环节预先考虑到再热裂纹的出现。