复合钢板焊接接头断裂分析

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1、复合钢板焊接接头断裂分析作者：曾晓虹杨同莲罗晓军周瑾摘要：分析了16MnR+405复合钢板筒节纵向焊接接头断裂的原因，先容了采取的改进工艺措施及其效果。关键词：复合钢板；断裂；换热器某厂500万t/a常减压蒸馏装置中有20台换热器壳体材料选用（16MnR＋405）复合钢板制造。其基层材料为16MnR，复层不锈钢为德国产405（相当于我国的材料牌号0Cr13Al）。在该批换热器的制造过程中，先后有4个筒节纵向焊接接头断裂，其中规格为φ1200mm×（16+3）mm的2节，φ800mm×（22+3）mm和φ9

2、00mm×（24+3）mm的各1节。断裂均在基层焊接完成后校圆时发生。文中分析了断裂原因，并先容了采取的改进工艺措施及效果。一、材料化学成分及力学性能基层与复层材料的化学成分见表1，其力学性能：基层Rm=550MPa，Rel=325MPa，0℃的冲击功AKA=31J；复层Rm=450MPa，Rel=250MPa冲击功AKA=8J。二、断裂原因分析该批换热器所用不锈钢复合钢板的基层材料厚度分别为12mm、14mm、16mm、18mm、20mm、22mm、24mm及30mm共8个规格，复层厚度均为3mm。不锈

3、钢复合钢板按文献［1］BⅡ级要求，采用爆炸复合，质量等级为Ⅱ级。制造时筒节纵向焊接接头型式及尺寸见图1。2．1断口形貌完全断开的筒节见图2。断开的最大宽度为150mm，断开位置尽大部分位于将复合层刨削后的坡口根部，只有很少部分断口位于母材，可以看出，裂纹已扩展至母材深处，这说明在校圆过程中产生了很大的应力，且材料的的脆性较大。图3为其断口形貌，下端为复层一侧，断口光亮，呈现典型的穿晶（解理）脆性断裂特征。从断口看，其剪切唇的厚度约为1mm（上端灰色层）。经检验，未断开筒节的裂纹同样位于复合层刨削后的坡口根

4、部，裂纹长度几乎与纵向焊接接头长度相等，其外露断口特征与图3相同。2．2硬度检验及化学成分分析经检验，母材最高硬度177HB，最低硬度136HB，材料的硬度值合格，因此，可排除母材含有硬脆相的可能。对其中1个断裂筒节的基层取样进行化学成分分析，结果见表2。与表1对照可知，其化学成分与供给值非常接近，S、P含量也非常低。2．3力学性能及金相检验对断裂的4个筒节各取1块试板制备试样进行力学性能检验，结果见表3。由于筒节断裂是在基层焊接完成后的校圆阶段发生，当时20台换热器的筒节全部卷制完成。因此，进一步的检验

5、只能在筒体两真个开孔位置取样，筒体上开孔的最大直径为φ250mm，故无法进行完整的力学性能试验。取样前重新调整排版图，以便对不同的材料检号取样。按不同材料检号及规格，共进行了18组试样的冲击试验。结果表明，与断裂的2个筒节具有相同材料检号的另外4个筒节的冲击功全分歧格，单值最高为42J，最低为17J。18组试验中有10组合格，8组分歧格，其中数目最大的（16+3）mm和（12+3）mm两批钢板试样的冲击功有合格的也有分歧格的。此外，对厚度为（16+3）mm和（24+3）mm复合钢板在不同部位取样做冲击试验

6、发现，同一张钢板板头位置试样的横向均匀冲击功几乎是板中间部位试样的3倍。对同一部位的纵、横向冲击韧性进行比较试验，结果表明，纵向均匀冲击功大约比横向均匀冲击功高1倍。从断裂的筒节上取样进行金相检验，基层16MnR的金相组织除带状组织明显外，未见其它异常，晶粒度为8级。冲击试样的金相组织观察表明，其珠光体呈网状分布，这说明母体组织不均匀，表现为冲击功相差较大（表3）。在扫描电镜下观测到的断口形貌见图4和图5。从断口的低倍形貌可以看出，裂纹起源于图4中的右侧表面，即复层刨削后的坡口根部位置。从图"中也可看到这

7、一点，且裂纹起始阶段有明显的撕裂现象，其微观形貌为韧窝特征。其它区域主要为裂纹的快速扩展区，其微观形貌为解理特征，宏观上表现为如图3中的光亮区域。能谱分析结果也表明，裂纹起源于复层，扩展过程中又从复层穿进基层，终极导致断裂。2．4制造工艺对制造过程的调查分析以为：①筒节校圆时复层尚未焊接，制造工艺要求复层施焊前应将基层坡口两侧大于即是10mm范围内的复层完全剔除，但在实际加工过程中，由于各方面的原因，剔除深度总是很难达到要求，一般小于3mm，最小的不足2mm。剔除宽度也往往达不到要求，一般为4~7mm，该

8、宽度正好处于埋弧焊的焊接热影响区，这一区域组织粗大，性能较差。此外，由于复层剔除深度和宽度不够，导致局部结构尺寸变化大，使坡口根部存在应力集中，电镜观察结果也证实了这一点。②施焊时的环境温度控制不严，可能使材料产生脆性。综上所述，复合钢板断裂的主要原因是：①材料分歧格。分析以为，冲击功分歧格与钢板爆炸复合后的热处理工艺以及执行热处理工艺过程中出现的某些偏差有关，如恒温温度或冷却速度不均匀等，表现为其金相组织不均匀，有的区域珠光