直缝埋弧焊钢管焊缝横向裂纹产生原因分析

直缝埋弧焊钢管焊缝横向裂纹产生原因分析

摘要:针对直缝埋弧焊钢管生产过程中的焊缝横向裂纹,从焊接过程中的应力状态和生产工艺方面分析了焊缝横向裂纹产生的原因,并指出通过改进焊接材料及相关的焊接设备、降低焊接时的低熔点杂质铜含量以及降低焊接过程中的纵向拉应力等途径可有效防止焊缝横向裂纹的产生,保证焊接质量。

1 直缝埋弧焊钢管焊缝存在的横向裂纹

管线钢属微合金化控轧钢,可焊性好,使用埋弧焊进行焊接时,焊缝很少有裂纹出现,但在直缝埋弧焊钢管生产过程中,某几个规格的钢管焊缝检测到横向裂纹。该钢管长度12m,壁厚10~30mm,直径508~1 422 mm,采用JCO成型,二氧化碳+Ar气连续预焊进行打底,3~4丝埋弧自动焊进行内外焊缝一次焊接成型,水柱式耦合超声波自动探伤进行检测,在内外焊缝上均发现过位于焊缝边缘的横向热裂纹,从焊趾向焊缝中心开裂,裂纹的长度为2~5mm,深度从焊缝表面开始向下1~2 mm,大部分裂纹在焊缝加强高度内,如图1所示。

2 裂纹检验分析

通过对裂纹金相试样的检测,在焊缝裂纹表面有清晰可见的铜斑,经委托天津大学、北京钢铁研究院等单位进行电镜扫描分析证实,在裂纹表面有大量的铜存在,铜是引起焊缝产生裂纹的主要原因。

根据对裂纹的检测分析结论,为最大限度降低焊缝中的铜含量,对焊接材料及焊接设备进行了改进:与焊丝厂合作将镀铜焊丝改为不镀铜焊丝;定期更换导电杆内聚四氟乙烯

软管,防止导电杆磨损;改用硬质合金导电嘴,减少导电嘴因磨损产生的铜屑;使用新焊剂并定期清理焊接机头等。采用以上措施后,焊缝横向裂纹的数量明显减少,但仍有少量的裂纹产生。

3焊接应力状态对产生裂纹的影响

从理论上分析,引起焊缝热裂纹的原因有两点:一是低熔点杂质,二是焊接过程中的拉应力。将低熔点杂质铜的来源降到最低后仍有裂纹产生,需要从焊接应力方面寻找解决办法。

钢管生产过程中出现的焊缝横向裂纹的统计情况表明,裂纹的分布规律是:薄壁管和厚壁管较少、中间壁厚(12~16mm)较多;大管径较少,小焊管管径较多。根据这个分布特点,对钢管焊接应力状态进行分析。

直缝埋弧焊管焊接时先进行预焊,再进行内焊,最后进行外焊。对不同管径、不同壁厚钢管内焊时的焊接情况进行比较发现:薄壁管内焊时,焊缝背面红线呈亮白色;厚壁管内焊时,焊缝背面红线呈暗红色;中间壁厚管内焊时,焊缝背面红线亮度介于两者之间。这种现象说明不同壁厚的钢管内焊时焊缝背面的温度有较大差异,这个差异将引起在钢管壁厚方向纵向应力分布状态不同。

钢管焊接时的应力分布与平板焊接时不同,钢管纵向焊接时由于受到管体的拘束,产生的纵向拉应力比平板焊接时大。当焊缝冷却时,在不考虑环境温度影响的情况下,焊缝正面的冷却速度大于焊缝反面的冷却速度,当焊缝反面冷却到产生压缩塑性变形的温度区间时,反面的收缩将使焊缝正面产生弯曲变形,并在正面产生附加的纵向拉应力,若焊缝正面的温度仍处于固-液相间的脆性温度区间,则在双重拉应力的作用下焊缝可能产生横向裂纹,且由于弯曲变形的影响,越接近焊缝表面拉应力值越大,这也是横向裂纹出现在焊缝表面或加强焊缝内的主要原因。

影响拉应力大小的因素主要是焊接时焊缝正反两面最高温度和焊缝的冷却速度。由于正面焊接熔池的温度远远高于金属的熔点,焊缝反面的温度远低于金属的熔点,冷却时焊缝正面的热量通过热传导的方式传递给反面,所以焊缝反面的冷却速度低于焊缝正面的冷却速度。当焊缝反面的温度较高时,正反两面接近于同时伸缩,产生的纵向拉应力较小;当焊缝反面温度较低时,反面处于接近弹性变形状态,能够自由伸缩,产生的纵向拉应力也较小;当焊缝反面的温度处于中间区域时,产生的纵向拉应力较大,是比较容易产生横向裂纹的区间。焊缝正反面冷却曲线如图2所示。当焊缝反面温度高于T1低于T2时,焊缝反面的冷却温度曲线通过阴影部分即焊缝正面脆性温度区与焊缝背面塑性温度区相交的区域时,焊缝正面可能产生横向裂纹;当焊缝反面温度低于T1或高于T2时,焊缝反面的冷却温度曲线不通过阴影部分即脆性温度区与塑性温度区相交的区域时,焊缝正面不会产生横向裂纹。

当钢管的规格(如管径和壁厚)变化时,焊缝图2焊缝正反面冷却曲线示意图的冷却速度会改变,即图2中焊缝正面冷却曲线的斜率会改变。

当考虑环境温度时,由于内焊缝的辐射散发的热量散在钢管内部导致钢管内温度升高,而外表面的热量散在车间内,对环境温度的影响可以忽略,所以钢管实际焊接过程中内表面的冷却速度要略有减小。

在钢管管径和壁厚不变时,焊缝反面温度的高低与焊接线能量的大小、焊缝坡口尺寸有关(生产中使用的是X形坡口,带钝边)。在相同条件下,线能量越大,焊缝反面的温度越高;线能量越小,焊缝反面的温度越低。在其他条件相同时,焊缝坡口越深,反面温度越高;钝边越小,反面温度越高;反面坡口越深,反面温度越高。

4 避免横向裂纹的工艺措施

通过调整焊接工艺,改变焊接线能量的输入或改变坡口尺寸,如:减小内焊坡口和电流,使内焊时焊缝反面温度降低、红线变暗;加大外焊坡口和电流,使外焊时反面温度升高、红线变亮;加大钝边尺寸,使内焊时焊缝反面温度降低,外焊时加大电流使焊缝反面温度升高。这样,既可以保证内外焊缝有足够的重合量,又可以降低焊接时焊缝正面的拉应力,避免横向裂纹的产生。

5 结论

直缝埋弧焊管的横向裂纹虽然尺寸较小,但存在较大的危害性,采取以下措施可有效防止焊缝横向裂纹的产生:(1)改进焊接材料及焊接设备,将焊接时的低熔点杂质铜含量

降到最低;(2)在制定钢管的焊接工艺时应充分考虑到钢管焊接时的特殊性,使焊缝反面的冷却温度曲线避开焊缝正面脆性温度区与焊缝反面塑性温度区相交的区域,以降低焊接过程中的纵向拉应力。