冷旋压不锈钢封头拼接焊缝开裂的原因及防止措施

谢晓芳 张腾 谢 安

（菏泽锅炉厂有限公司）（山东建筑大学热能与动力工程学院）（广西大学物理科学与技术学院）

冷旋压不锈钢封头拼接焊缝开裂的原因及防止措施

谢晓芳*张腾 谢 安

（菏泽锅炉厂有限公司）（山东建筑大学热能与动力工程学院）（广西大学物理科学与技术学院）

大型不锈钢封头需要先钢板拼接，然后经冷旋压成形。对冷旋压成形后在焊缝上出现大量裂纹的原因进行分析，并制定了相应的防止措施。

冷旋压 不锈钢 封头 拼接焊缝 焊缝开裂 压力容器 焊接工艺

0 前言

不锈钢具有较高的强度及耐腐蚀性，广泛应用于石油、化工等行业。随着不锈钢应用范围的扩大，随之而来的加工方面的问题也逐渐增加。对此应根据其产生的原因，寻求好的解决方案。

1 工艺概述

菏泽锅炉厂有限公司承接了一批不锈钢容器制造的合同。该容器壳体材料为S31603，壁厚为14 mm，直径为3 000 mm。由于直径较大，封头需要拼接。经过焊接工艺分析，决定选用埋弧焊工艺，以提高生产效率。按照NB/T 47014—2010进行焊接工艺评定，焊接工艺参数如表1所示，坡口形式如图1所示。

表1 焊接工艺参数

图1 坡口形式

焊缝须经X射线检测，Ⅰ级合格，并做力学试验。焊缝试样的力学试验结果如表2和表3所示。

表2 拉力试验

表3 弯曲试验

横向侧弯试样如图2所示，根据NB/T 47014—2010试验结果合格。按GB/T 4334—2008方法E进行晶间腐蚀试验，结果合格，试样如图3所示。依据本焊评编制相应的焊接工艺卡施焊。

图2 弯曲试样

图3 晶间腐蚀试样

封头拼接焊缝焊完后，须对拼接焊缝进行100%RT无损检测，达到图样要求后外协加工。根据相关标准规定，有耐晶间腐蚀要求的容器，经400℃以上热成形后，需做固溶处理。为简化工艺，采用了封头成形中常用的冷旋压工艺。经外协加工成的椭圆形封头，在拼接焊缝处出现了大量裂纹，如图4所示。

图4 拼接处的裂纹

2 实验与分析

对有裂纹的封头仔细观察发现，裂纹大都产生在变形较大的圆弧及直边处，且都集中在焊缝中间，都是沿焊缝方向的纵向裂纹。根据裂纹的这些特征进行分析，认为产生裂纹的原因主要有以下三个方面： （1）母材不合格； （2）焊接工艺或焊接材料选用不合理； （3）冷旋压工艺不合理。

分别对母材和焊缝进行光谱分析，化学成分分别如表4、表5所示，测试位置如图5、图6所示。

图5 母材光谱测试点

图6 焊缝光谱测试点

表4 母材化学成分 (%)

表5 熔敷金属化学成分 (%)

由表4、表5可见，母材和熔敷金属化学成分除C含量稍高外，其他元素均在标准要求范围内。

常温加工时，奥氏体的稳定性可用Ni最低当量含量Ni%与钢材Ni含量值的比较来确定。Ni的最低当量含量 Ni%={[Cr＋1.5Mo-20]2/12-Mn/2-35C＋15-Cu-27N}/100×100%。经计算，该母材Ni的最低当量含量Ni%=10.89%，Δ=Ni的实际钢材分析值-Ni%，Δ=11.73%-10.89%=0.84%＞0，奥氏体处于稳定状态。

冷旋压成形是利用两模具的挤压作用对材料进行加工的，毛坯在旋压轮和成形棍之间产生局部的塑性变形。封头冷旋压过程中，力的反复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。由于该母材的C含量偏高，在变形量大于15%时，可产生马氏体组织。同时，由于焊缝中间是单道焊，易出现柱状树枝晶使成分出现偏析，如图7、图8、图9所示。因此在较大的塑性变形情况下，封头拼接焊缝产生了焊缝中间裂纹。

图7 焊缝金相图 （×200）

3 控制措施

根据上述裂纹产生的原因，采取了以下防止措施:

（1）对母材的成分严格控制；

（2）采用多层焊，防止柱状结晶组织产生，减少偏析，以提高焊缝的综合力学性能；

（3）控制冷旋压变形量在15%以下，减少马氏体组织的产生；

（4） 严格执行焊接工艺规程 （WPS）。

图8 焊缝金相图 （×400）

图9 熔合区金相图 （×200）

4 结束语

经分析研究，与封头加工厂一起制定了合理的焊接及旋压工艺，解决了封头冷旋压的裂纹问题。

[1]GB 150.1～150.4—2011.压力容器 [S].

[2]NB/T 47014—2011.承压设备焊接工艺评定 [S].

[3]YB/T 5092—2005.焊接用不锈钢丝 [S].

[4]GB 24511—2009.承压设备用不锈钢钢板及钢带 [S].

[5]GB/T 4334—2008.金属和合金的腐蚀：不锈钢晶间腐蚀试验方法[S].

Cracking Reasons and Protecting Measures for Butt Welding of Cold Spinning Stainless Steel Head

Xie Xiaofang Zhang Teng Xie An

The steel plates should be butted,and then shaped by cold spinning to form large stainless steel heads.Analyzes reasons of a large number of cracks in welds after cold spinning forming,and puts forward corresponding prevention measures.

Cold spinning;Stainless steel;Head;Butt welding;Welding crack;Pressure vessels;Welding procedure

TQ 050.6

2012-04-27）