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焊接接頭再熱裂紋產(chǎn)生原因預(yù)防措施及檢驗方法的探討

文檔作者：陳鳳華文檔來源：江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院泰州分院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2022年10月18日
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焊接接頭再熱裂紋產(chǎn)生原因
預(yù)防措施及檢驗方法的探討
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文／江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院泰州分院 陳鳳華
摘要：本文從焊接接頭再熱裂紋的形成機(jī)理、預(yù)防措施及如何進(jìn)行檢驗檢測三個方面介紹了壓力容器
用低合金鋼焊接接頭再熱裂紋的研究進(jìn)展。研究不同焊接工藝(焊接方法、焊接參數(shù)、消氫等)對再熱
裂紋的影響。
關(guān)鍵詞：再熱裂紋；形成機(jī)理；預(yù)防措施；檢驗方法
引 言
近年來特種設(shè)備上低合金高強(qiáng)材料的應(yīng)用
越來越普遍，這與鍋爐壓力容器高溫高壓的工
況有關(guān)，但特種設(shè)備在制造過程中往往發(fā)現(xiàn)焊
縫在熱處理后發(fā)現(xiàn)裂紋，特別如2．25Cr一1Mo，
13MoNiMoR等材料，這引起了制造廠的注意。
焊接接頭中裂紋的種類很多：
1、結(jié)晶裂紋：焊接熔池凝固結(jié)晶時，在液
相與固相并存的溫度區(qū)間，由于結(jié)晶偏析和收
縮應(yīng)力應(yīng)變的作用，焊縫金屬沿一次結(jié)晶晶界
形成的裂紋。此類裂紋只發(fā)生在焊縫中(包括
弧坑)。
2、液化裂紋：焊接過程中，在焊接熱循環(huán)
峰值溫度作用下，在多層焊縫的層間金屬與母
材近縫區(qū)金屬中，由于晶間金屬暖熱重新熔化，
在一定的收縮應(yīng)力作用下，沿奧氏體晶界開裂
的現(xiàn)象，有的文獻(xiàn)稱為“熱撕裂”。
3、高溫低塑性裂紋：在液相結(jié)晶完成以
后，焊接接頭金屬從材料的塑性恢復(fù)溫度開始
冷卻，對于某些材料，當(dāng)冷卻到一定的溫度范
圍時，由于應(yīng)變速率和某些冶金因素的相互作
用，引起塑性下降，導(dǎo)致焊接接頭金屬沿晶界
開裂。一般發(fā)生在比液化裂紋的部位距熔合線
更遠(yuǎn)一些的熱影響區(qū)。
4、再熱裂紋：焊接后，在消除殘余應(yīng)力熱
處理或不經(jīng)任何熱處理的焊件，處于一定溫度
下服役的過程中，在一定條件下產(chǎn)生的沿奧氏
體晶界發(fā)展的裂紋。事實上再熱裂紋是低合金
高強(qiáng)鋼焊接性要解決的主要問題之一，特別是
某些含有較多碳化物形成元素(如cr，Mo，V)，
并可產(chǎn)生沉淀碳化物的低合金高強(qiáng)鋼和熱強(qiáng)鋼
厚板焊縫中，往往就會在焊后消除應(yīng)力熱處理
過程中產(chǎn)生再熱裂紋，處理這些缺陷費(fèi)工費(fèi)時，
對生產(chǎn)帶來很大影響。下面就再熱裂紋的形成
作者簡介：陳風(fēng)華(1958一)，男，T程師，壓力容器檢驗師。從事壓力容器制造監(jiān)督檢驗工作等。
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機(jī)理和制造過程中的預(yù)防措施及檢驗方法進(jìn)行
簡析。
1 再熱裂紋的機(jī)理
再熱裂紋的形成，簡單來說就是晶內(nèi)由于
強(qiáng)化強(qiáng)度很大而晶界強(qiáng)度較弱，在焊后熱處理
時，應(yīng)力松弛時的形變集中加在了晶界上，一
旦晶界應(yīng)變超出了晶界的強(qiáng)度極限時，就會導(dǎo)
致沿晶界開裂產(chǎn)生裂紋。
1．1 再熱裂紋形成的內(nèi)因
焊接時，熔合線附近的熱影響區(qū)被加熱到
1200~C左右，尤其是厚板多次被加熱后，晶粒粗
大，而在冷卻時強(qiáng)碳化物析出較慢，同樣在埋
弧焊時，由于線能量較大，焊縫中間的晶粒也
較粗大，在隨后的SR處理(480～680oC)過程
中，碳化物(V．C 、NbC、MoC等)在晶內(nèi)彌散
沉淀，從而強(qiáng)化了晶內(nèi)(晶內(nèi)熱強(qiáng)性好)，使
熱處理時，應(yīng)力松弛時的應(yīng)變集中加載在晶界
上；晶粒粗大使承載應(yīng)變的晶界數(shù)銳減，同樣
應(yīng)變單位晶界應(yīng)變量大大增加；另外，在焊后
sR處理時，低熔點(diǎn)雜質(zhì)及B、sb、sn、As等微量
元素偏析于晶界，減弱了晶界的塑性，應(yīng)變超
過晶界的塑性極限就形成開裂。
1．2 再熱裂紋形成的外因
上面簡述了再熱裂紋的內(nèi)因，但要產(chǎn)生再
熱裂紋還需要外因的存在，外因的產(chǎn)生應(yīng)該從
焊接殘余應(yīng)力和膨脹應(yīng)力兩個部分來考慮。
焊后消應(yīng)力熱處理時，焊接殘余應(yīng)力通過
松弛蠕變變形得以降低，當(dāng)材料的變形難以滿
足這種變形要求時，就會產(chǎn)生裂紋。在焊接區(qū)，
低熔點(diǎn)化合物、偏析及粗晶脆化區(qū)存在，由于
晶界強(qiáng)度、韌性不足，不能抵抗蠕變膨脹變形
而產(chǎn)生裂紋失效。
蠕變變形，實際上是—個受熱膨脹的過程，
在這個過程中是產(chǎn)生膨脹拉應(yīng)力，來抵消一部
分焊接過程中產(chǎn)生的壓應(yīng)力，當(dāng)冷卻收縮時產(chǎn)
生收縮力來抵消部分焊接過程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力，
從而使應(yīng)力峰值降低。因此，在焊接區(qū)內(nèi)微缺
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陷氣孔、夾渣等應(yīng)力集中區(qū)，當(dāng)膨脹力與該區(qū)
應(yīng)力疊加后產(chǎn)生高峰值的拉應(yīng)力，峰值大于材
料的強(qiáng)度值時，原來維持不失效的平衡將被打
破而產(chǎn)生裂紋。這些應(yīng)力集中的區(qū)域應(yīng)力分布
的狀態(tài)很復(fù)雜，受厚度位置的不同而不同，受
周圍是否有接管等拘束的不同而不同。比如，
該種缺陷處于v型坡口焊接時的下部，這些缺陷
受的是拉應(yīng)力，處于上方時，受的是壓應(yīng)力。
這也是很多再熱裂紋多存在于焊接區(qū)的根部的
原因。復(fù)合堆焊過渡層由于是異種鋼的焊接，
組織很復(fù)雜，又處于拉應(yīng)力的區(qū)域，故產(chǎn)生的
再熱裂紋的傾向也是很大的。
2 預(yù)防措施
從再熱裂紋的形成機(jī)理原因分析，預(yù)防的
措施有以下幾個方面。
2．1 嚴(yán)格控制原材料
在原材料的采購上，鋼中的Cr、Mo、V、
Nb、Ti、B等強(qiáng)碳化物形成元素對再熱裂紋形
成有很大影響，需嚴(yán)格控制，還有能形成硫磷
共晶物的S、P含量，采購焊接材料時也要有同
樣的要求，這樣的措施是解決產(chǎn)生再熱裂紋內(nèi)
因的較為有效的措施之一。
選擇熱裂紋敏感性低的焊接材料(嚴(yán)格控
制S、P、V、Nb等元素含量)，焊縫金屬強(qiáng)度
取下限。
2_2 制定合理的焊接規(guī)范
2．2．1 盡可能地降低焊接線能量，控制預(yù)熱層
間溫度
這兩者決定了焊縫金屬的冷卻條件，對焊
縫區(qū)顯微組織有很大影響。一般來講，采用小
線能量多道多層并適當(dāng)提高焊縫區(qū)的冷卻速度，
對改善顯微組織、提高沖擊韌性、防止熱裂紋
產(chǎn)生是有利的。但過低的層間溫度，將不利于
氫的逸出，有產(chǎn)生冷裂紋的危險，因此控制冷
卻速度，獲取細(xì)化的晶粒應(yīng)著重考慮從控制線
能量的大小上著手。
2．2．2 采取適當(dāng)?shù)念A(yù)熱措施
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應(yīng)用廣角
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采取適當(dāng)?shù)念A(yù)熱措施，可以軟化淬硬層的
硬度、提高韌性、提高抗裂性。
2．3 控制焊接過程，減少微小缺陷量
認(rèn)真執(zhí)行焊接規(guī)范，減少微小缺陷，減少
熔敷金屬量，采用窄間隙焊也是控制再熱裂紋
的有效措施。通過上面的論述，這些微小缺陷，
不超標(biāo)的缺陷，由于是應(yīng)力集中點(diǎn)，因此在熱
處理釋放應(yīng)力過程中，有應(yīng)力疊加的原因，造
成再熱裂紋。因此，控制這些缺陷也是必要的。
2．4 控制焊接殘余應(yīng)力
焊接殘余應(yīng)力在熱處理蠕變膨脹力的作用
下，特別是在應(yīng)力疊加為拉應(yīng)力的情況下，焊
縫中的應(yīng)力集中點(diǎn)，碳化物產(chǎn)生的沉淀硬化區(qū)
后晶界的薄弱環(huán)節(jié)，抵抗不了應(yīng)變造成開裂。
因此在熱處理前，減小殘余應(yīng)力的手段也能減
少再熱裂紋的產(chǎn)生。①采用半道中問熱處理。
②采用高頻超聲波沖擊法。這兩種手段都能有
效地減少焊接殘余應(yīng)力。
2．5 焊后熱處理
在焊后熱處理過程中，控制升溫以及降溫
的速度，以較緩慢均勻地膨脹、收縮，減小再
熱裂紋的產(chǎn)生。
3 檢驗檢測鑒別缺陷的方法
一般使用的表面探傷只能指定有無缺陷，
要能確定缺陷產(chǎn)生的真正原因還需要用下列方
法進(jìn)行檢驗：
3．1 復(fù)型金相法
3．1．1 復(fù)型金相法常用于現(xiàn)場的非破壞檢驗。
當(dāng)工件處于振動或部位窄小時，可用復(fù)型金相
法。制取的復(fù)型易長期保存，且能在試驗室用
顯微鏡進(jìn)行觀察分析和拍照。用大工件金相檢
查儀與復(fù)型金相法配合使用效果更好。
3．1．2 被檢部位表面試樣的制備。
3．1_3 復(fù)型材料可用1～2mm厚的有機(jī)玻璃片，也
可用醋酸纖維或硝酸纖維薄膜(AC紙)。有機(jī)
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溶劑可用氯仿、丙酮、醋酸乙脂等。
3．1．4 先將薄膜按所需大小截成小塊。操作時，
在已制備好的試樣表面上滴加適量的有機(jī)溶劑，
并迅速覆蓋有機(jī)玻璃片或薄膜，用手指或膠皮
輕輕壓緊，使其間的氣泡逸出。待其充分干燥
后，即可取下，進(jìn)行觀察、拍照。
3．1．5 為了增加組織襯度，被檢表面浸蝕可略
深一些，或在有機(jī)溶劑中加入適量著色劑。
3_2 用大工件金相檢查儀微觀檢驗
3．2．1 微觀檢驗包括浸蝕前的檢驗及浸蝕后的
檢驗：浸前主要檢查試樣有無裂紋、非金屬夾
雜物及制樣過程中所引起的缺陷；浸蝕后主要
檢驗試樣的顯微組織。
3．2．2 觀察時，一般先用顯微鏡的75～100倍觀
察低倍組織全貌。需觀察細(xì)微組織時，再選用
適宜的高倍率。
3．2-3 管道和部件的微觀檢驗：
a、鑒別材料中非金屬夾雜物、顯微裂紋的
類型，觀察其形態(tài)和分布，測量其數(shù)量和大小。
b、鑒別被檢件顯微組織的組成，各種組織
的形貌、分布和數(shù)量。對晶粒度、帶狀組織、
非金屬夾雜物、魏氏組織、球化組織、脫碳層
等作出評定。
c、鑒別組織特征，判定熱處理工藝狀態(tài)，
必要時為重新制定熱處理工藝提供依據(jù)。
d、鑒別以上缺陷與所檢裂紋之間有無關(guān)聯(lián)
等。
4 結(jié)束語
由于再熱裂紋不是在焊接過程產(chǎn)生，而是
在熱處理或運(yùn)行時產(chǎn)生的，因此再熱裂紋有一
定的隱蔽性，進(jìn)而出現(xiàn)事故具有不可預(yù)見性，
進(jìn)而會造成更大的損失。所以必須在特種設(shè)備
的前期設(shè)計、制造、檢驗等各環(huán)節(jié)預(yù)先考慮到
再熱裂紋的出現(xiàn)。

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