椭圆封头冷旋压裂纹解决方案

椭圆封头冷旋压裂纹解决方案

压力容器封头是压力容器的主要受压元件之一，它的质量影响着整个容器的质量和安全。随着各封头厂的壮大，冷旋压成型工艺由于其模具投资少，适应性好等特点而得到广泛得应用。由于冷旋压与模压的加热工艺不同，以及工艺执行不严，产生了不少问题，而不锈钢封头冷旋成型产生裂纹的问题较模压严重得多。江苏委托加工的304冷旋封头，大部分预成型后产生了裂纹，包括在母材和焊缝区域都有裂纹产生。因此有必要分析冷旋过程对其影响，提出解决方案。

304冷旋压裂纹产生机理

冷旋压成型是利用两模具的挤压作用，在旋压轮和成型辊之间，毛坯产生局部塑性变形。该变形以螺旋形方式从中心向边缘“流动”使毛坯产生连续弯曲变形。毛坯的外侧金属纵向纤维受拉而在伸长，靠近形成轮一侧，金属纵向纤维受压而缩短。随着向板坯中心靠近，伸长和缩短的程度逐渐。在板坯上画上等间距的同心圆和径向线，如图1所示，在旋制过程中发现，靠近旋压辊一侧的毛坯外侧，径向辐射线的网格被拉长了，而内侧网格变化不明显（这与实际情况是一致的，在加工封头检测中发现，大量的裂纹出现在封头外表面沿直边部位。）

>图1 连续弯曲变形

封头在冷旋压过程中，反复力的作用使其发生冷作硬化现象，并产生位错的堆积和金相组织的变化。奥氏体不锈钢从溶化状态到常温，一般是不发生相变的，但在亚稳定态时加工，会发生马氏体相变，主要由于马氏体相变引起加工硬化。据相关资料介绍，

奥氏体的稳定性是由其组织成份决定的。

（1）Ni、C、Mn等奥氏体形成元素越多，奥氏体就越稳定。

（2）Cr为铁素体生成元素，在固溶体中具有可扩散作用，当Cr大量固溶与奥氏体使能阻止奥氏体转变为马氏

体，使奥氏体稳定。

（3）Mo为铁素体形成元素也具有提高稳定性作用。

判断常温加工时奥氏体稳定性，可用Ni最低当量含量与钢材Ni含量分析值做比较，以某304钢板化学成分为例，见表1，通过计算（过程略）得到Ni的钢材分析值Δ<0，说明该钢板处于奥氏体不稳定状态，即常温下塑性加工即可发生马氏体转变。若Δ≥0，钢板处于稳定状态。

>表1 某304钢板化学成分（ω，%）

C Cr Ni Mn Si S P

0.052 18.2 8.05 1.08 0.53 0.003 0.025

奥氏体不锈钢向马氏体转变有2个途径：

（1）把奥氏体不锈钢温度降到M s点（马氏体转变温度）以下，其组织将转变为马氏体。(2)在高于M s点的温度的温度下进行塑性加工也可产生马氏体，但马氏体发生转变温度的上限叫M d点。如果M d比常温高，则在常温下加工就会使部分奥氏体组织转变为马氏体。据资料介绍，该SUS304钢板的M s点大约在-17℃，M d点大约在180℃左右。

马氏体的出现是旋压封头的力学性能迅速恶化，在多次应变的作用下，强度、硬度增加，塑性降低。这是因为多次应变使马氏体产生数量增多的缘故。由于马氏体与奥氏体并存，伸长率不同，极易导致局部形成显微裂纹，随着裂纹的扩展导致最终的开裂。

封头拼接焊缝区又是一个薄弱环节。由于避免焊接裂纹，焊缝区添加了铁素体形成元素（部分固溶不完全的钢板也存在铁素体），在旋压过程中形成了三相共存的局面。在焊接过程中形成的热影响区晶粒长大区域同时存在晶粒破碎和马氏体生成作用而性能下降，溶合线区和焊缝金属区存在的宏观尖锐焊接缺陷也在旋压过程中受到应力作用而可能破裂。实际工作过程中，焊接接头区是最薄弱的一环，最容易产生裂纹。

影响裂纹产生的因素

（1）化学成分的影响。根据相关资料公式计算可知，316、310（ALSL0牌号）的Δ值分别为+1.00、+4.72，故其非常稳定，不易产生裂纹。

(2)加工变形量的影响.封头在冷旋压过程中，材料变形量比较大，翻边部位最大可达40%以上，据相关资料介绍Cr-Ni不锈钢冷加工对导磁率的影响，产生马氏体组织的含量随着化学成分的增加而减少，随冷加工变形率的增大而增加。304、321的变形率大约在15%时，马氏体增加加速，316在变形率在60%马氏体增加尚不明显。

（3）焊接的影响。在等强度原则下，选用焊接工艺，焊接热影响区的晶粒长大使其塑性下降，焊接缺陷中的尖锐缺口在旋压过程中被拉裂，都使其性能低于母材而首先产生裂纹。

预防措施

根据上述原因，采取以下措施。

(1)提升化学成分，即在不改变成型工艺的情况下，可改用高档次的材料，如316、310。

(2)提高加工温度，实行温旋压工艺。

(3)改变应变大小。据资料介绍，即从Cr-Ni不锈钢冷加工对到导磁率的影响可以看出，在变形量13.8%以下时，304不锈钢马氏体转变很少。可以在变形较大区域增加压制次数，控制每次变形量在13.8%以下。

(4)热处理。固溶处理能消除马氏体，恢复性能。

（5）提高焊接质量。在旋之前进行探伤检查，消除内外部缺陷。选用合适的焊接工艺，提高焊接接头力学性能，减小热影响区。

（6）加强原材料验收，保证原材料无内外部缺陷，并固溶完全。对板坯的切割要保证周边打磨光滑。