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    鋼板分層和焊接(火切)冷脆性開裂的區別及處理

    核心提示伴隨著國際鐵礦石價格的大幅上漲,我國鋼鐵工業陷入微(?。├麜r代。2010年我國大中型鋼鐵企業實際利潤897億元,銷售利潤率2.91%,遠低于全國工業企業6.2%的平均水平,其中寶鋼380億元,占到利潤的42%,多數企業處于微利或虧損狀態。而鋼廠降成本的大頭在于降低合金和改變工藝路線。二流鋼廠的鋼板質量大幅度下降,分層鋼板大幅增加,主要原因是調合金和工藝路線的簡化。采用“提碳降錳”,甚至Q345B也要預熱了,否則都可能有冷脆性裂紋產生。鋼板絕大多數用于加工,而焊條鋼又為鋼廠所生產,生產的鋼板改變了化學成份,改變了組織結構,焊條鋼也改變了,兩者的改變,也會出現不匹配的現象。目前分層鋼板多,偏析嚴重鋼板多,焊接后問題多在所難免。對焊接工藝相當調整,解決一些焊接后出現的問題,成為當前的焦點之一。

     

    鋼板分層與鋼板火切、焊接后的冷脆性裂紋,表現形式一般相同,都為板材中部的裂紋,從使用上來講,分層鋼板必須切除,整塊分層就整塊摘除,局部分層可以局部摘除。鋼板的冷脆性裂紋,表現的形式為中部開裂,有的人也稱之為“開裂”,為方便分析,定義為“冷脆性開裂”較為妥當些,這種缺陷可以采用補救措施,用適當焊接工藝來處理,不用報廢。

    1、鋼板分層

    分層是鋼板(坯)斷面出現局部的縫隙,使鋼板斷面形成局部層狀,是鋼材中的一種致命性缺陷,鋼板不得有分層,見圖1。分層亦稱夾層、離層,是鋼材的內部缺陷。鋼錠(坯)內的氣泡、大塊的非金屬夾雜物、未完全切除的殘余縮孔或發生折疊、嚴重的偏析均可能引起鋼材的分層,而不太合理的軋制壓下規程又可能使分層加劇。

     

    1 鋼板分層

    2、鋼板分層的種類

    根據產生原因的不同,分層所表現的部位形態也不同,有的隱藏在鋼材內部,內表面與鋼材表面平行或基本平行;也有的延伸到鋼材表面,又在鋼材表面形成溝紋狀的表面缺陷。概括起來有2種形式:

    1種為開口型分層。這種分層缺陷在鋼材的斷口上宏觀就可發現,一般在鋼廠和制造廠里基本上能被復檢出來。

    2種為封閉型分層。這種分層缺陷在鋼材的斷口中看不到,在制造廠內如果不進行逐張鋼板100%超聲波探傷,亦難以發現,它是一種處于鋼板內部的封閉型分層。這種分層缺陷從冶煉廠帶到制造廠,最后被加工制造成產品出廠。

    分層缺陷的存在使分層區鋼板承受載荷的有效厚度減少,降低了與分層同方向受載的承載能力。分層缺陷的邊線形狀尖銳,對應力作用非常敏感,會引起嚴重的應力集中。在運行過程中若有反復的加載、卸載、升溫、降溫,就會在應力集中區形成很大的交變應力,以致造成應力疲勞。

    3、冷裂紋的評估方法

    3.1  碳當量法----評估鋼材冷裂紋傾向

    由于焊接熱影響區的淬硬及冷裂紋傾向與鋼種的化學成分有關,所以利用化學成分間接地評估鋼材冷裂紋的敏感性。把鋼中合金元素的含量按其作用換算成碳的相當含量,作為粗略評定鋼材冷裂傾向的一種參數指標,即碳當量法。對于低臺金鋼的碳當量法,國際焊接學會(IIW)推薦公式:Ceq(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15,

    根據公式計算碳當量的數值越大,被焊鋼材的淬硬傾向就越大,熱影響區越易產生冷裂紋。因此可以用碳當量的大小來評定鋼材焊接性的優劣,并按焊接性的優劣提出防止產生焊接裂紋的最佳工藝條件。

    當使用國際學會推薦的公式時,若Ceq(IIW)0.4%,則淬硬傾向不大,焊接性良好,焊前不需要預熱;若Ceq (IIW)0.4%~0.6%,尤其是大于0.5%時,鋼材易淬硬.說明焊接性已變差,焊時需預熱才能防止焊接裂紋,隨板厚增大預熱溫度要相應提高。

    3.2  焊接冷裂紋敏感指數

    低合金高強鋼焊接時產生冷裂紋的原因除化學成分外,還有熔敷金屬中擴散氫含量、接頭的拘束應力等,日本伊藤等人采用斜Y形坡口鐵研試驗對200多個鋼種做了大量試驗提出了由化學成分、擴散氫和拘束度(或板厚)所建立的冷裂紋敏感指數等公式,并用冷裂紋敏感性指數來確定防止冷裂紋所須的焊前預熱溫度。一般認為,下述公式可用于碳含量不大于0.16%、抗拉強度為400900MPa的低合金高強度鋼。

    Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B  %);

    Pc=Pcm+[H]/60+t/600%   

    To=1440Pc-392   (℃)

    式中: [H]——采用日本JIS 3113標準測定的熔敷金屬擴散氫含量(ml/100g);

    t——板厚(mm);To——最低焊前預熱溫度(℃)。

    計算出該厚度鋼板的焊接冷裂紋敏感性指數Pc,和不裂的最低焊前預熱溫度To約為多少度。計算結果To50℃時,該鋼板具有一定的焊接冷裂紋敏感性,要進行預熱。

    4、大型構件冷脆性“開裂”的修復

    鋼板焊接完成以后,某塊鋼板某部分開裂了,說是“分層”了,見下圖2,裂紋的形貌。焊接專家認為修復工藝定義為“鋼板Z向裂紋的焊補工藝”為妥些。由于構件很大,將此鋼板拆下,工作量大,再重新焊接一塊,極有可能整個構件發生變形,整個構件要報廢,損失很大。

    2  大型構件開裂

    圖3 分層鋼板探傷波形(圖2鋼板厚度35mm)

     

    4.1、Z向裂紋發生原因及防止措施

    由于切割、焊接產生的Z向裂紋屬冷裂。鋼板硬度及厚度越大,出現Z向裂紋幾率就越高。如何避免其發生,最佳方法是切割、焊接之前進行預熱,預熱的溫度取決于鋼板的等級和厚度。預熱可以通過切割槍、電子履帶加熱墊進行,應當在加熱點的背面測量所需的溫度。(注:要使整個鋼板切割截面均勻受熱,以免接觸熱源的區域出現局部過熱的現象)采用預熱,可降低切割、焊接產生Z向裂紋的幾率。推薦各厚度預熱溫度及切割速度如下表:

     

    鋼級

    厚度

    預熱溫度

     

    Q345QS890

    10-30

    100

    30-49.9

    150

    50-70

    175

     

    4.2、返修工藝

    1、先用角磨機將裂紋處磨到看不見裂紋后,將補焊處周圍預熱到100℃左右再采用CO2焊(藥芯焊絲最佳)。焊完第一層,立即用圓錐錘敲擊焊縫,然后進行下面各層的焊接,做到每焊完一層都要用錘敲擊焊縫。保證層間溫度≤200℃。

    2、裂紋比較深的話,將補焊處周圍預熱到100℃左右,立即采用碳弧氣刨清根,再用角磨機打磨直至露出金屬光澤,(如果補焊處溫度不到100℃,要重新進行預熱)然后焊接。

    3、焊完后,用硅酸鋁棉或石棉將焊縫保溫,保溫時間≥2小時。

    4、為保險起見對修復部位進行超聲波探傷。

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