论文_焊接毕业设计

渤海船舶职业学院

题目：球罐焊接冷裂纹现状及其防治系别：材料工程系

专业：焊接技术及自动化

学制：三年

姓名：陈刚

学号：15

指导老师：冯晶晶

摘要

分析了球罐焊接冷裂纹产生的机理，提出了在球罐施工中防止冷裂纹产生的具体措施，经现场施工验证，该措施较好地解决问题，保证了球罐的制造质量。

关键词:球罐;焊接;冷裂纹;预防措施

一、

前言：球罐一般是用不来储存易易爆甚至有毒的介质，一旦发生破坏其后果是极其严重的。根据大量的统计表明，球罐的破裂多数源于焊缝及其热影响区，而焊缝及其热影响区发生破裂在于冷裂纹,因此，防止冷裂纹产生是球罐建造质量的关键。

二、

题目：球罐焊接冷裂纹现状及其防治

首先来说一下焊接冷裂纹的现状。我国焊接冷裂纹的研究现状焊接冷裂纹是焊接接头冷却到温度较低的条件下产生的一种裂纹,在低合金高强度

钢焊接结构的焊接裂纹中,占有较大的比例。多数的焊接冷裂纹,其萌生与扩展有时间延迟的特性,称为延迟裂纹,这给裂纹的检测与防止,带来较大的复杂性,也给产品的安全使用带来很大的危害性。近十年来,我国许多大型的低合金高强度钢与超高强度钢的焊接结构,由于存在焊接冷裂纹,致使有的产品返修、降级使用或报废,有的产品则因没有检测到裂纹的存在,致使产品在运行中造成

低应力破坏。

然后了解一下裂纹的分类：裂纹影响焊接件的安全使用，是一种非常危险的工艺缺陷。焊接裂纹不仅发生于焊接过程中，有的还有一定潜伏期，有的则产生于焊后的再次加热过程中。焊接裂纹根据其部位、尺寸、形成原因和机理的不同，可以有不同的分类方法。按裂纹形成的条件，可

分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹和层状撕裂等四类。

I热裂纹

多产生于接近固相线的高温下，有沿晶界分布的特征；但有时也能在低于固相线的温度下，沿“多边形化边界”形成。热裂纹通常多产生于焊缝金属内，但也可能形成在焊接熔合线附近的被焊金属（母材）内。按其形成过程的特点，又可分为下述三种情况。

II结晶裂纹

产生于焊缝金属结晶过程末期的“脆性温度”区间，此时晶粒间存在着薄的液相层，因而金属塑性极低，由冷却的不均匀收缩而产生的拉伸变形超过了允许值时，即沿晶界液层开裂。消除结晶裂纹的主要冶金措施为通过调整成分，细化晶粒，严格控制形成低熔点共晶的杂质元素等，以达到提高材料在脆性温度区间的塑性；此外，从设计和工艺上尽量减少在该温度区间的内部拉伸变形。

液化裂纹

主要产生于焊缝熔合线附近的母材中，有时也产生于多层焊的先施焊的焊道内。形成原因是由于在焊接热的作用下，焊缝熔合线外侧金属内产生沿晶界的局部熔化，以及在随后冷却收缩时引起的沿晶界液化层开裂。造成这种裂纹的情况有二：一是材料晶粒边界有较多的低熔点物质；另一种是由于迅速加热，使某些金属化合物分解而又来不及扩散，致局部晶界出现一些合金元素的富集甚至达到共晶成分。防止这类裂纹的原则为严格控制杂质含量，合理选用焊接材料，尽量减少焊接热的作用。

III多边化裂纹

是在低于固相线温度下形成的。其特点是沿“多边形化边界”分布，与一次结晶晶界无明显关系；易产生于单相奥氏体金属中。这种现象可解释为由于焊接的高温过热和不平衡的结晶条件，使晶体内形成大量的空位和位错，在一定的温度、应力作用下排列成亚晶界（多边形化晶界），当此

晶界与有害杂质富集区重合时，往往形成微裂纹。消除此种缺陷的方法是加入可以提高多边形化激活能的合金元素,如在Ni-Cr合金中加入W、Mo、Ta等;另一方面是减少焊接时过热和焊接应力。

冷裂纹

根据引起的主要原因可分为淬火裂纹、氢致延迟裂纹和变形裂纹。

淬火裂纹

产生在钢的马氏体转变点(Ms)附近(见过冷

奥氏体转变图)或在200℃以下的裂纹，主要发生于中、高碳钢，低合金高强度钢以及钛合金等，主要产生部位在热影响区以及焊缝金属内。裂纹走向为沿晶或穿晶。形成冷裂纹的主要因素有:①金属的含氢量偏高;②脆性组织或对氢脆敏感的组织；③焊接拘束应力（或应变）。

IV氢致延迟裂纹

焊接过程中溶于焊缝金属内的氢向热影响区

扩散、偏聚，特别是在容易启裂的三轴拉应力集中区富集，引起氢脆，即降低金属在启裂位臵（或

裂纹前端）的临界应力，当此处的局部应力超过此临界应力时，就造成开裂。这种裂纹的形成有明显的时间延迟的特征，其原因在于氢扩散富集需要时间(孕育期)。产生此种裂纹的条件是存在着氢和对氢敏感的组织，同时又有较大的拘束应力。因此，它常产生在严重应力集中的焊件根部和缝边，以及过热区。防止的措施包括：①降低焊缝中的含氢量，例如采用低氢焊条，严格烘干焊接材料等；②合理的预热及后热；③选用碳当量较低的原材料；④减小拘束应力，避免应力集中。

V变形裂纹

这种裂纹的形成不一定是因为氢含量偏高，在多层焊或角焊缝产生应变集中的情况下，由于拉伸应变超过了金属塑性变形能力而产生。

再热裂纹

产生于某些低合金高强度钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢以及镍基合金焊后的再次高温加热过程中。其主要原因一般认为当焊后再次加热到500～700℃时，在热影响区的过热区内,由于特殊

碳化物析出引起的晶内二次强化，一些弱化晶界的微量元素的析出，以及使焊接应力松弛时的附加变形集中于晶界，而导致沿晶开裂。因此，这种裂纹具有晶间开裂的特征，并且都发生在有严重应力集中的热影响区的粗晶区内。为了防止这种裂纹的产生，首先在设计时要选择再热裂纹敏感性低的材料，其次从工艺上要尽量减少近缝区的内应力和应力集中问题。

VI层状撕裂

主要产生于厚板角焊时，见附图。其特征为平行于钢板表面，沿轧制方向呈阶梯形发展。这种裂纹往往不限于热影响区内，也可出现在远离表面的母材中。其产生的主要原因是由于金属中非金属夹杂物的层状分布，使钢板沿板厚方向塑性低于沿轧制方向，另外由于厚板角焊时在板厚方向造成了很大的焊接应力，所以引起层状撕裂。通常认为片状硫化物夹杂危害最大，而层状硅酸盐和过量密集的氧化铝夹杂物也有影响。防止这种缺陷，主要应在冶金过程中严格控制夹杂物的

数量和分布状态。另外，改进接头设计和焊接工艺，也有一定的作用。

接下来分析一下产生焊接冷裂纹的原因：焊接冷裂纹在焊后较低的温度下形成。由于这种裂纹形成与氢有关，且有延迟开裂的特点，因此又称之为焊接氢致裂纹或延迟裂纹。

产生焊接冷裂纹的三个必要条件：

（1）氢。氢的主要来源是焊材中的水分和焊接区域中的油污、铁锈、水以及大气中的水汽等。这些水、铁锈或有机物经焊接电弧的高温热作用分解成氢原子而进入焊接熔池中。在焊接过程中氢除向大气中扩散外，余下的在焊缝中呈过饱和状态，即在焊缝中存在着扩散氢。根据氢脆理论，这种扩散氢将向应变集中区（如微裂纹或缺口尖端附近）扩散，当该区的氢浓度达到某一临界值时，裂纹便继续扩展。

（2）应力。依据目前国内及国际的施工水平，在球罐的组装过程中总会存在或多或少的强力组对，所以在组装完成后便存在着内应力，这种应力在焊后整体热处理完成后也不可能完全消除。再加上球罐焊接是一个局部加热过程，在焊接过程中产生应力与应变的循环，因此球罐焊接后必然存在残余应力。

（3）组织。焊接热影响区组织中过硬的马氏体含量越多越容易产生冷裂纹。

最后来了解一下防止产生焊接冷裂纹的措施（1）尽量选用对冷裂纹不敏感的材料选用内在质量好的母材。即选用碳当量低的优质钢材，尤其是避免母材大型夹渣。所以在球壳板制造前必须对板材进行严格的超声波检查，对有严重夹层等缺陷的钢材不得使用。

（2）尽量减少氢的来源。第一，球罐的焊接

选用低氢型焊条，必要时要采用超低氢型的焊条；第二，焊条使用前一定要按产品使用说明进行烘干，并贮存在100～150℃的恒温箱中，在使用时放入保温筒内并随用随取，在保温筒内存放时间不得超过4h，否则要按原烘干温度重新烘干，重复烘干不得超过两次；第三，要彻底去除焊接坡口表面及坡口两侧20mm范围内的油污、水分，、铁锈及其他杂物；第四，不在雨雪天及空气相对湿度大于90%时施焊；第五，采取有效的防风措施，以防止吹弧，使焊接熔池得到有效的隔离保护。

（3）选用适当的焊前预热温度和预热范围。适当的预热温度降低了焊缝冷却速度，可使氢更易从焊缝熔池向大气中扩散，减少了焊缝中扩散氢含量，并且可以降低焊接区的温度梯度和焊缝的冷却速度，尽量减少马氏体的含量，减小温差应力。预热温度应通过工艺评定来确定，预热范围一般为坡口两侧三倍球壳板厚度且不小于100mm。当环境温度低时还应增大预热温度和预热

范围。对纵缝应整条焊缝同时预热，不能分段预热。

（4）选用适当的后热温度和后热时间。随着焊接层数的增多，焊缝中扩散氢会逐渐积累。因此焊后应立即进行后热，使扩散氢有充分的时间溢出，同时还可以降低焊缝中的残余应力，减少冷裂纹产生的机率。

（5）焊接过程中保持适当的层间温度，适当的层间温度也能延缓焊缝的冷却时间，起到一定的去氢和降低残余应力的作用，层间温度不得低于预热温度下限值。

（6）采用合适的线能量。若焊接线能量过小，焊缝热影响区容易出现淬硬组织，再加上扩散氢的作用，焊缝容易产生冷裂纹；若线能量过大又会使焊缝热影响区的软化区宽度增加，使焊缝缺口的韧性降低，球罐整体的机械性能下降。

（7）防止强力组对。在球罐组对过程中选用

合适的工艺和组装机具，尽量避免强力组对。强

力组对将使球罐在焊接前就存在强大的附加内应力，这种内应力在焊后也不可能完全消除。

（8）减小错边和角变形。在错边和角变形存

在的部位，曲率发生了突变，所以焊后将会存在

强大的残余内应力。

（9）采用合理的焊接顺序。当采用合理的顺

序焊接时，整台球罐将同时对称地收缩或膨胀，

这样能控制焊接变形，减小焊接残余应力。球罐

焊接应遵循先纵缝后环缝，先大坡口后小坡口，

先赤道后温带最后极带的原则，而且焊工应对称、

均匀施焊。球罐焊缝的打底焊要采用分段退焊法，

分段长度为600～700mm。

（10）避免工艺缺陷的产生。咬边、未焊透、长条状

夹渣等工艺缺陷部位是应力集中区，这些部位容易产生冷裂纹。

（11）确保封底焊缝的质量，封底焊缝要自上而下焊接，不能采用摆动、挑弧、灭弧的施焊

方法。

通过严格执行以上措施，很好的控制了制造过

程中产生的焊接缺陷，避免了冷裂纹的问题，确

保了球罐的质量

。

感想和致谢：我这几天才正式开始做毕业文.

刚开始起草论文方案的时候我可真是可以用无头苍蝇来形容,根本不知道从哪里下手，因为做毕业论文还是第一次。好不容易查了一些资料后,终于有了一个雏形,可是,当我开始写选题报告的时候,又是问题百出,让我心烦意乱。万事开头难！一定要咬紧牙关哽着头皮度过这段时光！明媚的阳光在后头！

论文基本上都是最后一个星期来赶的。不过论文的完成总是让人高兴的，自己认真写的东西和抄的东西感觉完全不一样。抄的东西结束了，只是松口气，侥幸逃脱老师的法眼；自己认真写的东西——当然不是说全部自己写，总归是自己去理解了来写的——结束后除了感觉总算完成了，还有一点成就感：自己的娃怎么看都乖。写论文的机会不多，难得写一次就好好写，而且在这个过程中真的能学到很多东西，国外的大学里期末考试就是写论文，我觉得确实是好办法。我们不一定要对所有的东西都广泛了解，尽量找到和自己专业有关的且感兴趣的某一方面，然后去

钻研，我觉得这样更好。

论文，大学里最后一件事，一件我认为作为大学生要做好的事，在最后的日子里，拖延了太久，花了我很多很多时间和心思，得到的当然没有想要的好，而我确实认为自己为它付出了很多很多。

附录

参考文献：金属材料及热处理主编：赵忠丁仁

亮周而康；

熔焊原理及金属材料焊接主编：英若

采；

网上相关资料

2011年4月