稳压器筒体焊接见证件裂纹探析

摘要： 通过金相、扫描电镜、光谱分析等方法对筒体焊接见证件的裂纹进行综合分析，确定该裂纹为冷裂纹且产生在热影响区。主要原因是见证件没有进炉后热而采用红外线电加热器的后热方式，电加热片与焊接见证件没有紧密贴合，焊缝中的扩散氢没有完全逸出。

关键词： 见证件；裂纹；扩散氢

中图分类号：TG444.74文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0510187－02

0 前言

焊接见证件是作为相应产品焊缝质量及质量稳定性的证据，制造过程中使用的母材、焊材、焊接参数与产品焊缝一致，并且进行了同炉焊后消应力热处理，不同之处在于后热方式不同。稳压器筒节与焊接见证件的母材为16MND5，16MND5是高强度低合金钢。从焊接见证件母材化学成分分析得出碳当量Ceq=0.6148%>0.5%，具有较强的淬硬倾向，如果焊接过程中焊材烘干、预热、后热等过程控制不好，极易产生冷裂纹。本文对该消应力热处理后的见证件PT、UT检测发现的裂纹进行了破坏性试验分析。

1 见证件材料及焊接工艺

焊接见证件的相关材料牌号：母材：16MND5，板材厚度119mm；焊条E9018-G；自动焊丝EF2。坡口形式：双面不对称U型，手工焊侧坡口深22mm，钝边11mm。

焊接方法：手工电弧焊打底，埋弧自动焊焊满。

焊接参数：Φ4.0mm焊条，电流：150-190A，电压：22-26V；Φ5.0mm焊条，电流：200-250A，电压：24-30V。预热温度：≥150℃，后热：300-350℃/4h。

焊接顺序：先焊手工焊侧坡口，背面清根后埋弧焊焊妥另一侧坡口；消除应力热处理：680±10℃/3h（300℃以上加热及冷却速度：≤55℃/h）。

2 试验数据及分析

2.1 断口分析

用线切割方法在裂纹处截取断口和金相试样，并在液氮温度下启开裂纹。断裂面断口呈蓝黑色，略为向焊缝方向偏斜，深度约为2mm。断口表面有较厚的氧化层，EDS对该区域的成分分析表明主要为铁的氧化物，是在高温下形成的颗粒状氧化物的形态，氧化层中分析到个别含镍的相。图1是蓝黑色断口和新鲜断口过渡区形貌，之间有很窄区域的韧窝状断口，过渡区右侧对应银灰色断口区为准解理断口，如图2。闪晶状断口区以穿晶解理断口为主。整个断口面上未见异常大尺寸夹杂物和疏松类缺陷，如图3。

断口分析表明，所分析表面裂纹的最大深度约2mm，裂纹形成之后经历了高温，有一层较厚的氧化物。裂纹面端口上没有观察到异常冶金缺陷。

2.2 剖面金相分析

垂直裂纹面作剖面金相，从剖面低倍组织形貌可以看出裂纹位于焊道边部的热影响区，由表面向内平行焊缝扩展。如图4。在裂纹内有较厚的氧化层（数十微米厚）。裂纹起裂区处在焊接热影响区的粗大马氏体组织区（晶粒直径50-100微米，相当于晶粒度3-5级），沿晶和穿晶混合走向。裂纹扩展区和裂纹尖端进入到焊接热影响细晶区，组织形貌如图6和7，以穿晶走向为主。焊接热影响区组织形貌：粗晶区为回火索氏体，晶粒度3-5级，如图8；细晶区为贝氏体，晶粒度12级，如图9；过渡区回火索氏体+贝氏体，如图10；基体组织为贝氏体，如图11；焊缝组织为贝氏体+铁素体，如图12。

剖面金相分析结果表明，裂纹位于焊道边部的焊接热影响区组织范围内，裂纹口部（起始区）组织为粗大的马氏体高温回火组织。虽然由于经过高温回火裂纹内有很厚的氧化物，但还是可以看出裂纹具有穿晶和沿晶混合走向的特征，由此可以判断该裂纹属于焊接冷裂纹，裂纹内氧化物是在焊后高温回火过程中形成的。因此焊后产生粗大马氏体组织和存在较大的焊接残余应力，是导致裂纹产生的基本原因。

2.3 硬度检验

用微观硬度计对不同组织区域进行硬度测试，结果见表1。从测试的结果可以看出，靠近裂纹起裂区的裂纹口部组织的硬度明显高于其他区域。由于焊后钢板经过整体高温回火，回火后不同组织区域的硬度会不同程度的下降，并趋于一致。从组织形态分析，起裂过程粗大马氏体组织的硬度应远高于测试值，也远高于附近组织的硬度。

3 原因分析

焊接冷裂纹的产生，应符合下列条件：δmin≤ξ即接头局部位置的延性δmin不足以承受所发生的应变ξ的作用。ξ与接头的约束应力有关。δmin则取决于焊接冷却过程中的致脆因素，主要是淬硬组织的存在和氢脆的作用。这两种致脆因素的有效作用温度区间正是在室温附近，通常在Ms（马氏体转变开始温度）以下。因此，最易在接头冷却到室温附近见到开裂现象，故称为“冷裂纹”。

冷裂纹最易发生于有一定淬硬倾向的钢种的焊接接头中，如中碳钢、高碳钢及高强钢等。从微观上看，冷裂纹的断口特征并不像热裂纹那样单纯只是晶间断裂特征，冷裂断口可以是晶间断裂（沿晶断裂）也可以是穿晶断裂，许多情况下，启裂点是沿晶断口，扩展过程中可以使沿晶断口也可以是穿晶断口，一般会见到沿晶与穿晶断口共存的情况。

影响冷裂纹的因素一个是碳当量：在一定冷卻条件下，碳当量增大或Pcm（钢的成分）增大，组织硬化倾向增大，硬化程度与马氏体相变量有关，马氏体数量增多，冷裂倾向增大；另一个影响因素是氢的影响：氢在金属中有两种形式，一是能运动的“扩散氢”，一是不可运动的“剩余氢”。只有扩散氢对钢的冷裂发生直接影响。扩散氢会造成氢脆，促使增大冷裂倾向。氢脆对组织敏感，对高碳马氏体最为敏感[2]。

4 结论

从以上分析及试验数据可以看出，该见证件裂纹位于焊接热影响区组织区域内，裂纹起始于粗大马氏体组织区，穿晶和沿晶混合走向，产生于焊后高温回火热处理之前，属于焊接冷裂纹。后热不充分，见证件中的扩散氢没有完全逸出，导致焊接热影响区存在粗大马氏体组织和较大焊接残余应力，是裂纹产生的基本原因。实际生产中，要加强焊接预热、后热以及焊条烘干等措施，以避免此类裂纹发生。

参考文献：

[1]RCC-M M 2126 18MND5 Manganese-Nickel-Molybdenum Alloy Steel Plates For Pressurized Water Reactor Pressure-Retraining Boundaries.

[2]陈伯蠡，焊接工程缺欠分析与对策，机械工业出版社.

[3]中国机械工程学会焊接学会，焊接手册第2册机械工业出版社.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文