14MnMoV钢厚壁容器氢致延迟裂纹的工艺改进

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制造技术／32艺装备 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering) 2013年第 10期14MnMoV钢厚壁容器氢致延迟裂纹的工艺改进李金方，晋家兵，司丽丽(海军蚌埠士官学校机械系，蚌埠 233012)摘要：分析 14MnMoV钢厚壁容器横向冷裂纹形成原因，并结合氢致延迟裂纹的形成机理提出了焊接工艺改进措施，验证了焊后消氢处理的有效性。

关键词：14MnMoV钢；裂纹；消氢工艺中图分类号：TH16 文献标志码：B 文章编号：1671_3133(2013)10__o090—04Process improvement on the hydrogen induced delayedcrack of 14M nM oV steel thick Wall vesselLi Jinfang，Jin Jiabing，Si Lili(Machinery Department，Naval NCO School of Bengbu，Bengbu 2330 1 2，Anhui，China)Abstract：The causes for the transverse cracking of 14MnMoV steel thick wall vessel were analyzed，and the related process im—proving measure in accordance with the formation mechanism of hydrogen induced delayed crack was puts forward，thus the efee—tiveness of postweld dehydrogenation was verified.

Key words：14MnMoV steel；crack；dehydr0genati0n processl 案例提出某锅炉制造厂曾选用 14MnMoV高强度钢厚板制造一台工作压力为 320MPa的高压容器，其容器直径为 63m、壁厚为 90ram。14MnMoV钢板按当时的钢材标准，其室温最低抗拉强度为 650MPa，屈服强度为500MPa，具有较高的屈强比，焊接性较差。容器上部为半球形封头，它由四个瓣片和一块圆形盖板焊接而成，下部为圆柱形筒体，焊接时焊缝有纵缝和环缝之分，其位置分布如图 1所示，容器简体纵缝和四个瓣片间纵缝采用电渣焊焊接，焊缝经超声波探伤未发现任何不容许的缺陷；封头与筒体间环缝、圆形盖板与瓣片间环缝采用焊条电弧焊封底埋弧焊工艺，焊接参数如下：环缝外坡口为 U形，内坡口为70。V形。焊条电弧焊封底 焊缝采用 J7O7焊条，埋 弧焊焊丝 牌号 为H08Mn2MoV，焊丝直径为 mm，焊剂为 HJ350。焊接电流种类为交流电，焊接电流为 650—700A。电弧电压为 36～38V。焊件预热为 150％，层间温度保持不低于 150~(2，连续焊满，肉眼观察，无热裂纹出现。焊缝冷却至室温后进行 y^射线探伤，也未发现不容许的缺陷。在之后的容器总装和接管焊接过程中，即在环缝焊完后的4～6天内，环缝表面出现如图2所示的裂90图 1 容器焊缝位置分布纹，断 口发亮，为脆性断口，无氧化色彩。经解剖测定裂纹的最大深度达50mm，裂纹长度在 l5～20mm，为此初步判定是冷裂纹。裂纹扩展方向一 般垂直于焊缝方向，证明环缝周向残余应力是产生裂纹的诱因之一。环缝周向之所以有残余应力是因为组成圆球形封头的4个瓣片在焊接前是由钢板热锻成型的，锻制后消除应力不彻底，导致焊接结构约束应力增大。而要想真正弄清裂纹产生的原因，必须对裂纹进行金相和化学成分分析。

图 2 封头环缝冷裂纹李金芳，等：14MnMoV钢厚壁容器氢致延迟裂纹的工艺改进 2013年第 10期2 裂纹鉴别实验2．1 金相分析宏观检查环缝焊接冷裂纹A一4剖面，发现存在宽窄不一的贯穿性裂纹，裂纹宽度最宽达 1．5ram。制取试样(未破坏断口形貌)，断口大部分金属已失去光泽，表现为多台阶、参差不齐的断口，呈脆性断裂特征。

微观检验观察如图3所示的环缝焊接冷裂纹断口抛光面沿晶裂纹的启裂形貌，发现存在多处沿晶裂纹，断 口的微观特征是晶界面上相当平滑，整个断面上多面体感很强，没有明显塑性变形，具有晶界刻面上的“冰糖状”断口形貌。裂纹最宽处达2001xm，最窄处达 501xm；在裂纹较宽处存在明显的非金属夹杂物；同时还发现少数区域存在沿晶分布的非金属夹杂物。

电解侵蚀后，显微组织特征为：基体母材为贝氏体，焊缝为马氏体，其上分布有较多碳化物颗粒，同时存在碳化物 沿 晶界 分 布 的 网状组 织，微 观 裂 纹是 沿着碳化物析出的晶界扩展的，裂纹特征符合冷裂纹的特征(产生在焊件冷却~lJ200—300~C以下，焊后数小时；断口发亮，为脆性断 LI，无氧化色彩；从微观上看，裂纹多起源于粗大奥氏体晶粒的晶界处)。

图3 环缝焊接冷裂纹断口抛光面沿晶裂纹(×160)2．2 化学成分分析焊接过程中相关材料的化学成分见表 1。

通过母材和焊缝金属的成分比较可以看出，母材和焊缝金属的化学成分相近。用甘油法测试扩散氢含量：将测出的扩散氢体积(mL)首先换算成标准状态下的氢气体积，再折算出 100g熔敷金属中析出的扩散氢含量，经过计算，熔敷金属中扩散氢含量大于14MnMoV钢的临界含氢量。

表 1 焊接过程中相关材料的化学成分3 产生裂纹原因及解决措施根据该裂纹明显的延迟形成特点可以判断，这是一种典型的氢致延迟裂纹。裂纹产生的主要原因如下。

1)焊接施工现场条件较差(室外温度为 一l0℃、相对湿度为 60％)，工艺制定和执行不 良(焊丝、焊剂选择不当且未严格烘干)，特别是对厚壁容器焊前预热和焊后缓冷不到位 (预热温度偏低、冷却速度偏快)。施焊环境湿度大，施焊前现场对焊丝和焊剂未采取严格的烘干、保温措施，焊剂中的水分较高，造成焊缝金属中氢的聚集 ，这是裂纹产生的主因。

防止缺陷产生的措施主要有：焊前预热、焊后缓冷(预热温度和层间温度不低于 180~C)；选用合适的焊接材料和工艺参数(埋弧焊焊丝改用 H08MnMoV，焊剂改用 HJ250+HJ350混合焊剂，电流改用 720A)；焊剂使用前在保温箱内按规定的温度、时间加热保温(焊剂使用前在350～400℃温度下烘干2h)，使用时放置在保温桶内取用。

2)容器刚性约束大，施工时，焊缝、荷载分布不尽合理。如图1所示，除前文所分析的热锻残余应力外，圆球形封头的4个瓣片的自身重量在焊接时也施加在筒体与瓣片间的环缝处，造成简体焊缝区约束应力过大，这也增加了裂纹产生的可能性。

改进措施：在钢平台上划出组装基准圆，将基准圆按照封头 的瓣数 4等份，至少在距等分线两侧50mm处各设置一块定位板；在组装基准圆内，设置封头组装胎具，以定位板和组装胎具为基准，用工夹具使瓣片紧靠定位板和胎具，并调整对口间隙和错边量；瓣片在钢平台上组对成封头后，首先进行点固焊，每隔 150mm处一个焊点，焊点长度不超过 3mm，高度不超过 5ram。焊接前及焊接过程中要注意定位焊缝有无开裂等现象，若发现开裂则必须将开裂的焊缝清除后再继续焊接。焊接时，采用分段退焊法 ，每段长度控制在 400mm左右。应对每道焊口进行检查，将焊角尺寸控制在 7～10mm之间，对焊角尺寸小于 7mm处，要用手工 电弧焊进行补焊；对于焊角尺寸大于9】2013年第 1O期 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering)10mm处，用角向砂轮机打磨，直到焊角尺寸小于lOmm为止。封头定位板位置示意图如图4所示。

a)定位板位置 b)胎具与封头关系图4 封头定位板位置示意图3)焊接母材 和焊接材 料搭配不合 理。对 于14MnMoV高强度钢来说，低碳合金元素含量比低碳钢多，材料淬硬倾向和出现裂纹的倾向大。当残余应力达到材料的屈服极限时，焊缝金属产生塑性变形，当变形量超过材料的屈服极限 (14MnMoV钢壁厚介于16—35ram时， ≥325MPa；壁厚介于 35～50ram时，~>295MPa)时产生裂纹，这也是冷裂纹产生的一个潜在因素。焊接过程中因低温天气的影响而未采取有效的防护措施，焊后也未采取良好保温措施来消除应力，焊缝金属冷却速度很快，对焊缝周围产生张力，同时焊缝中也容易出现淬硬的马氏体组织。

改进措施：埋弧焊焊丝改用 H08MnMoV，直径为． 0ram；埋弧焊焊剂改用 HJ250+HJ350混合焊剂，混合比(质量比)为 1：1。焊接时，尽量增加焊缝收缩的自由度 ，采用多层多道焊和分段退焊法焊接 ，紧随焊接，在焊缝金属周围 20ram范围内，用小锤对焊趾、焊缝进行敲击，以降低焊接残余应力。环缝连续焊满后，为防止焊接区域迅速冷却而产生裂纹，在焊缝两侧 lOOmm宽范围内，立即做 350~C／2h的消应力处理。

通过以上分析可以看出，由于焊接施工现场条件较差、工艺制定和执行不良、容器刚性约束大、焊接母材和焊接材料搭配不合理等原因，使得焊缝中氢的含量超标，形成了淬硬组织；同时封闭的刚性约束加上焊接时应力较大，造成容器封头焊缝焊接时产生了很大的约束应力，在这些因素的共同作用下，产生了焊接延迟裂纹。

4 工艺改进为消除这种厚壁多道焊缝中的氢致延迟裂纹，降低焊缝金属中总的氢含量是首要任务。在分析裂纹形成原因过程中查明，埋弧焊焊剂在使用前未经高温烘干，焊剂中的水分是焊缝中扩散氢的主要来源之92一
。 其次原焊接工艺规程规定的焊剂牌号为 HJ350，属于中性焊剂。对于650MPa级高强度钢埋弧焊理应选用 HJ250低氢碱性焊剂，但 HJ250焊剂的脱渣性较差，原焊接工艺偏重考虑焊剂的工艺性。另外，埋弧焊使用交流电也加大了焊接气氛中的 H 向焊接熔池金属的过渡。最后从产品焊缝上出现横向延迟裂纹的严重程度可以判断，150~C的预热温度和层间温度不足以使焊缝金属中的扩散氢及时从焊缝表面逸出，焊后应立即做消氢处理。

在埋 弧 焊焊 丝 的选 用方 面，原工 艺 规 定 的H08Mn2MoV焊丝的焊缝金属强度偏高，且含合金元素 V的低合金焊缝金属具有二次硬化倾向，加剧了焊缝金属冷裂纹的形成。对此，应在保证焊缝金属的强度性能的前提下改用其他的合金焊丝。

根据以上分析，对原焊接工艺规程做如下修正：1)焊前清洗：焊道周围 20mm范围内的锈、水和油污等杂质的清理要彻底，先用砂轮机清除，然后用丙酮清理，再用着色探伤剂进行探伤。2)焊前预热：用汽油喷灯对焊缝附近进行加热，要求焊缝附近 50mm内的预热温度和层间温度不低于 180~C，加热到 180~C再继续加热 10min，以便温度均匀化。3)确定焊接工艺参数：焊接电源由交流电改为直流反接，埋弧焊焊丝改用 H08MnMoV，直径为 64．0ram；埋弧焊焊剂改用HJ250+HJ350混合焊剂，混合比(质量比)为 1：1。焊剂使用前在 350～400℃温度下烘干 2h，电流改用720A。4)安装封头瓣片：先安装定位板和封头组装胎具，再以定位板和组装胎具为基准，用工夹具使瓣片紧靠定位板和胎具，并调整对口间隙和错边量。5)封头瓣片定位焊接：对安装好的封头瓣片进行点固焊，每隔 150ram处一个焊点。6)焊接封头纵缝 ：点固焊完成后，拿掉定位板和胎具，进行纵缝焊接。焊接时对焊缝进行保温，用红外测温仪测量焊缝 50mm处封头的温度，测量三点，平均温度不低于 180~C，单个点温度不低于 170％。7)焊接封头与筒体间环缝：采用多层多道焊和分段退焊法焊接，以减少焊接残余应力的产生，每段焊缝控制在400mm左右，焊角尺寸控制在8～10ram。为防止裂缝出现在敏感的第一道焊缝和焊根，适当加大电流，减慢焊速。焊完一遍后，彻底清理焊道，并进行一次消氢处理。8)焊后消氢：环缝连续焊满后，为防止焊接区域迅速冷却而产生裂纹，在焊缝两侧 100ram宽范围内，立即做 350~C／2h的消氢处理。9)焊接瓣片与顶部圆形盖板问环缝：方法同7)、8)。

10)焊后探伤检验：进行 射线探伤，观察是否存在裂纹。若存在裂纹，用砂轮机打磨去除裂纹，用手弧焊李金芳 ，等 ：14MnMoV钢厚壁容器氢致延迟裂纹的工艺改进 2013年第 10期修补。

对在容器总装和接管焊接过程中出现的横向冷裂纹的环缝割除，重新加工坡 口，并按修正后的焊接工艺规程焊接。焊后在室温下静置一个星期再做超声波探伤检查，未发现任何环缝横向裂纹。

5 结语对于高强度钢厚壁多道焊缝来说，消除焊缝金属氢致横向延迟裂纹的最关键工艺措施是，焊前预热处理、焊接过程中消氢处理以及焊后立即做消氢处理。

因为即使采用低氢型焊接材料，使单道焊缝的氢含量降低到了低氢级的水平，例如 5mL／'lOOg，但几十条焊缝叠加后，氢向上扩散集聚，将使局部区域总的氢含量大大超过极限允许含量，从而加剧了焊缝裂纹的危险性。生产实践证明，焊后消氢处理对于消除焊缝金属的氢致横向裂纹是十分有效的。

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作者简介：李金方，副教授，研究方向：机械设计与制造。

E．mail：lihaoxuanl103### sina．corn收稿 日期 ：2012．12．18(上接第 5页)1)影响材料去除率的主次因素依次为电流峰值、放电脉宽时间、电解质水压力、伺服电压、脉间时间以及主电源电压。

2)影响拉拔模具表面粗糙度的主次因素依次为电流峰值、放电脉宽时间、主电源电压、伺服电压、脉间时间及电解质水压力。

3)优化得出能够提高材料去除率和降低表面粗糙度的最优参数配置，即：主电源电压为 35V，放电脉宽时间为 6 s，脉间时间为 12．21xs，电流峰值为 22A，伺服电压为 10V，电解质水压力值为 0．80MPa。在此参数下加工出的硬质合金拉拔模具表面粗糙度 R0值为 1．563 1Ixm，加工时间为 6．22min。

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作者简介：边留进，硕士研究生，研究方向：金刚石涂层拉拔模具。

孙方宏：通讯作者，教授，博士生导师。

E-mail：ljbian86###126．com收稿 日期 ：2012．11—1893