黄建明实战案例专栏 | 【案列16】 不锈钢复合板焊接裂纹问题

文章来源:微信公众号:航空无损检测
16 不锈钢复合板焊接裂纹问题

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焊接工艺一定要适合当时的现场环境和焊接方法,才能发挥最佳的效果,才能保证焊接质量。



温馨提示:

本系列专栏案例均在夏紀真老师的网站发布过,经作者本人修改和补充后,由本公众号发布,以满足当下年轻人互联网浏览习惯。

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实战案例专栏 /   案例16


2012年12月我在国内某压力容器制造厂,看到一个用不锈钢覆合板材料进行焊接的压力容器,在X光拍片时发现很多横向裂纹。他们问我为什么会出现横向裂纹?


我问,他们是否有合格的焊接工艺(WPS),他们说有并且马上拿出来给我看,一看这焊接工艺我就知道为什么会产生横向裂纹了,因为这个焊接工艺设计不合理,单靠焊工去控制是不可靠的


个工艺提供的资料告诉我们,不锈钢覆合板分别由18mm和3mm不锈钢组成,开对称的X型坡口,从内外两面进行焊接,分别用手工电弧焊(SMAW)和埋弧焊(SAW)方法。


焊接顺序是从容器内先用碳钢焊条手工电弧焊焊接,工艺上要求焊到不锈钢层前1mm时,再用不锈钢过渡性焊条E309焊接,过渡层焊完再转换E316L焊条盖面;


然后在容器外碳弧气刨清根,第一道用直径2.4mm焊丝的埋弧焊焊接,接着用直径4.0mm焊丝埋弧焊填充及盖面。


这种焊接工艺无论是从焊接手册或GB再或者AWS标准等查找,都可以找到这种标准的焊接工艺,也是很成熟的焊接工艺,但是为什么他们在现场就焊不好呢?


为在实验室由大师傅焊接的只有一小段,而且多数是平焊位置,焊接空间足够、光线明朗、工作环境好、没有任何限制,而且用最好的焊机进行焊接,焊接后的试件无论是用无损检测(NDT)还是破坏性试验(DT)都是合格的,看不出任何问题。


可是实际焊接时却是在容器内,“空间狭窄、黑暗、烟雾迷漫、灰尘滚滚、噪音隆隆、又闷又热,还要 360度全位置的环境下焊接,为了赶工期赶时间工人很自然地用大焊条大电流大高填充率地焊接,希望尽快完成焊接退出这恶劣的密闭空间,谁还有心情去控制那1mm间距,更何况是高温熔池的电弧,稍不留意就会触焊到了不锈钢层。


当碳钢焊条焊到不锈钢层,熔化的金属就会出现一个「金属稀释」(dilution) 现象,其结果是造成硬化和碎裂。


(资料图,与内容无关)


20年前我们在为香港某电厂一个煤炭漏斗构件做焊接工艺(WPS)时其中弯曲试验出现开裂问题。


事情是这样的我的客户是我多年的朋友,一个即是老板又是焊工的大师傅,我同事带上我们之前建议焊接工艺他们公司进行焊接工艺考试,要求他按我们提供坡口型式加工和组对,但是他已经开好坡口和组对完毕,就是不肯更改。


同事打电话告诉我,我就直接与这个大师傅焊工通电话,他在电话里说:“你认识我十几年了,难道不相信我的焊接技术,我保证没问题,有什么问题我负责!”


我就告诉他如果不按我们的建议焊接,之后的NDT和DT试验不合格重新再做WPS的所有损失由你负责”。


他说:“没问题!”


“即然您这么说那您就后果自负吧!”我说


焊工就按他自己焊接普通钢的习惯进行坡口加工组对和焊接。


不锈钢覆合板分别是1/8英吋的316不锈钢和3/8英吋的低碳钢组成,从碳钢层开V型坡口直到不锈钢层留1-2mm钝边,组对时根部间隙2-3mm。(见图1)


他首先用不锈钢E316L直径3.2mm焊条从背面不锈钢层焊接(封底),再转回正面用E309直径3.2mm焊条焊接,最后用E7016直径4.0mm碳钢焊条盖面,全部用立焊位置进行。(见图2)


(图 1 错误的坡口型式和组对错误的焊接顺序(图2))

(图 2 错误的焊接顺序)


我们的同事如实记录下所有焊接参数,三道焊缝轻松完成焊接。


拿回公司后先做X光拍片,X光片上很漂亮没有任何可见的缺陷。然后按标准进行切割和机械加工,做机械性能试验,拉伸强度没问题,硬度测试发现在碳钢层与不锈钢交界处硬度超标。(见图3


(图 3 不正确焊接顺序焊缝横切面宏观图 (硬度超标))


弯曲试验就爆裂了而且清楚地看到断口在碳钢层像火烧一样(见图4),碳钢层的焊缝区域明显有明显的硬化现象(见图5)。


(图 4 弯曲试验开裂 (像火烧一样))

(图 5 弯曲试验开裂和明显的硬化)


这样的结果肯定是不合格的了,我告诉他这种不锈钢覆合板的焊接方法,必须按正确的焊接顺序和正确的坡口型式进行焊接,否则肯定会碎裂


然后把一份英文的说明书翻译成中文给他看。


叫他在焊过度层E309焊条焊接时,最好用直径小的2.6mm焊条,并且用小电流薄薄的焊上一层即可。


焊接大师傅还很不服气地说:“那好!我就按你的方法去买小焊条再做一次,如果同样出现断裂,之前所有的费用是否你给?”


我答应他说:“好啊!”


后他照我们提供的焊接方法进行焊接(见图6、7、8、9、10),无论是NDT还是DT所有试验全部合格,特别是弯曲试验不但没有开裂而且是非常柔顺(见图11、12)。


(图 6 正确的坡口型式和组对)

(图 7 正确的焊接顺序是先焊碳钢层)

(图 8 背面用不锈钢砂轮打磨清根)

尽可能地用小电流薄层焊道焊接 !!!

(图 9 分别用E312过渡性焊条和E316L焊条焊接)

注意 : 用小焊条小电流焊接,小电流多道焊避免过热

(图 8 背面用不锈钢砂轮打磨清根)

(图 10 正确焊接顺序焊缝横切面宏观图)

(图 11 正确的焊接顺序焊接时,弯曲试验效果非常好!)

(图 12 正确的焊接顺序焊接时,弯曲试验效果是柔顺的)


好坏一对比马上看到效果,焊工不得不服了。(见图13)


(图 13 好坏一对比马上看到效果)

弯曲试验开裂产生的原因


1.焊工不按正确的坡口型式制作和组对(见图1);


2.焊接顺序不当而且用较粗焊条和大电流焊接层间温度过高,造成焊接过中产生严重的「金属稀释」现象;


3.不锈钢与碳钢焊接时必须先做「绝缘」,形象的比喻,就像电工在 10 万伏电压下带电作业时,首先要做到的是绝对、绝对「绝缘」,否则不幸触电肯定是必死无疑!


4.当碳钢焊条的电弧熔化到不锈钢层时的「金属稀释」现象,就像人体触到10万伏电压一样也是必死无疑!


5.因为「金属稀释」现象会使焊缝产生硬化和碎裂,即使不立即开裂也会就像人体出现「肝硬化」一样。


6.最可恨的是这种「肝硬化」 X光检测是无法发现的,为将来的使用过程中产生过早的金属疲劳事故却留下隐患。同时检测人员和公司也要承担着看不见的责任风险。


解决方案


1. 坡口型式:在碳钢层开 V 型坡口并留 1-2mm 钝边,组对时不留间隙,保证碳钢焊接时不会熔化到不锈钢层,由它来控制「绝缘」(见图6)这就是「工艺控制」;


2. 先从外侧用直径Ø3.2mm E7016 碳钢焊条手工电弧焊;


3. 内侧用不锈钢砂轮打磨「清根」;


4. 用 Ø2.6mm E312焊条手工焊过渡层;


5. 最后用Ø3.2mm E316焊条手工焊盖面;


6. 注意:E312和E316不锈钢焊条尽可能地用小电流的薄层焊道,电流过大即使用E312也会产生「金属稀释」,“大电流” “大熔池” “大稀释” “大问题”。


总结


只能在实验做到的焊接工艺绝对不是一个好的焊接工艺,因为单纯靠工人自己去控制是不可靠的。


我们要的焊接工艺是在现场最恶劣的条件下,任何一个合格焊工轻轻松松就能焊得好的焊接工艺才是真正可用的焊接工艺。


这个案例告诉我们:焊接工艺一定要适合当时的现场环境和焊接方法,才能发挥最佳的效果,才能保证焊接质量。


20 年过去了此构件从未发现金属疲劳和应力腐蚀问题,事实证明我们的WPS是正确的。


以下是一份英文不锈钢覆合材料的焊接说明书我把它译成中文给焊接看。


STAINLESS STEEL CLAD PLATE When welding stainless steel clad plate, the most important point is to avoid dilution of the welding metal to be used for the cladding metal by the base steel. Depending on the degree of dilution, such problems as voids, hardening, embrittlement, cracking or degradation of corrosion resistance may be encountered. 


Therefore, heat input of welding applied to the metal must be controlled. In addition, a suitable edge preparation must be made according to the plate thickness, chemical compositions of the cladding metal welding technique and/or skill of the worker.


有关不锈钢与普通钢组成的复合材料焊接时,一个非常重要的问题是不锈钢材料(包括焊条以及不锈钢母材)与钢的「稀释程度」(混合或污染程度),因为在焊接产生高温溶池时将两种以上金属溶解、互相渗透而产生「稀释现像」,一定要减少和避免「稀释」因为它会产生以下四个问题


一、硬化:焊肉以及焊热影响区硬化;

二、易碎:特别是影响钢材方面包括E7016;

三、裂纹:易裂;

四、不锈钢抗腐能力下降将来使用过程中容易生锈和产生早期疲劳。


请勿必遵守焊接程序的要求,建议用12#Dia. 2.6mm E312打底薄薄一层即可,不要用大电流,因为大电流会产生 “大熔池” “大稀释” “大问题”!



关于作者



黄建明 长期从事在役无损检测技术工作近40年。任职于香港安捷材料试验有限公司,北京理工大学珠海学院“应用物理(无损检测方向)”本科专业兼职教授。美国焊接学会会员,美国无损检测学会会员,中国机械工程学会会员暨无损检测分会理事。英国焊接和无损检测人员考试发证章程(CSWIP)焊接检验督察,英国无损检测人员考试发证章程(PCN)II级焊缝射线照相评片员,美国焊接学会(AWS)高级焊接检验督察,AWS焊接导师,美国无损检测学会(ASNT)NDT检验师-UT、RT、MT、ET III级(高级)技术资格,中国机械工程学会无损检测分会RT、UT 3级(高级)技术资格。


联系方式:

邮箱:kmwong@aes.hk

公司:香港安捷材料试验有限公司 


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