阳极炉炉口检修焊接裂纹的处理

张祥敏 杨荣山

（锦西工业学校)

0 前言

阳极炉是铜冶炼重要设备，炉子本体为钢结构，内部砌筑耐火材料。由于炉子经常转动倾倒，出铜、放渣，温差变化较大，受急冷急热影响，易产生变形、渗漏等情况。因此，需要对阳极炉炉口不定期进行更换及检修。在设备检修过程中，冬季外部施工的情况越来越多,出现了一些因低温环境焊接引起裂纹的情况，因此研究低温环境下焊接裂纹问题是非常必要的。

本文结合葫芦岛锌厂东方铜业有限公司阳极炉炉口与炉体对接焊缝出现焊接裂纹这一情况，详细分析了低温环境下焊接导致裂纹产生的各种因素，并从施工规范、预热温度、焊后保温等方面采取了质量控制措施，从而防止了焊接裂纹的产生，保证了低温环境下的焊接检修质量。阳极炉炉口结构如图1所示 （焊缝高度12 mm）。

图1 阳极炉炉口结构

1 焊接工艺参数

焊接施工主要的物理参数和环境参数如下：

（1） 板厚： δ=20 mm。

（2） 材质： 16Mn (C:0.15；Mn:1.42；Si:0.50；P:0.016； S:0.022)。

（3）接头型式：V型坡口角接 （嵌入式）。

（4） 环境温度： -12～-10 ℃。

（5）风力：偏北风4～5级。

焊接施工采用的焊接方法、焊材及规格如下所示：

（1）手工电弧焊。 （2）直流电焊机。 （3）焊接电流180 A。 （4）焊条规格及材质覫5、结507。

2 出现的问题

本次检修更换的炉口材料为 16Mn钢 （Q345钢），是屈服强度大于350 MPa的普通低合金钢。Q345钢含有一定的合金元素，碳当量值为0.39%，具有一定的淬硬倾向，一般情况下不采取预热措施，采用碱性低氢型焊条即可保证焊接质量。但在此次检修过程中发现，炉口与炉体对接焊缝中出现了纵向裂纹（见图1）。

3 裂纹产生的原因

首先分析判断焊接出现的裂纹属于哪种裂纹。由于阳极炉炉口的焊接是在低温下进行的 （环境温度-12～-10℃），板材较厚，有一定淬硬性和热应变脆化倾向。裂纹产生的部位是在焊缝中间且为纵向裂纹，断口有光泽。根据当时的焊接条件、工艺操作及焊接材料等分析，初步判断为焊接冷裂纹。

当气温较低或板厚较大时,焊接16Mn钢若不采取适当的预热措施或焊接工艺不当，就可能会产生冷裂纹。通常，产生冷裂纹的原因主要有以下几项。

（1）扩散氢的作用

在焊缝中随着扩散氢含量的提高，冷裂纹数增加，而且扩散氢还影响冷裂纹延时的长短。一般氢的来源主要是焊接材料中的水分、焊接区域的油污、铁锈、水以及大气中的水汽等。这些水或有机物经电弧高温作用分解出氢原子进入熔池中，并在焊缝中呈过饱和状态，形成对冷裂纹起主要作用的扩散氢。扩散氢含量越高，产生裂纹的几率越大。

此焊缝使用的是碱性焊条，因为是检修，焊工没有重视，在焊接之前没有对焊条进行严格烘干和保温，对焊缝两侧清理也不彻底，所以扩散氢的作用可能是产生裂纹的原因之一。

（2）接头淬硬组织的影响

热影响区马氏体组织数量越多，越容易产生裂纹。无论焊缝的表面、断面或根部，裂纹生成率均随冷却速度的增大和马氏体数量的增多而增大。

该构件材质为16Mn钢，是典型的热轧钢，其淬硬倾向比低碳钢大。一般在低温下焊接或在大刚度、大厚度结构上焊接时，为防止冷裂纹的出现均应采取焊前预热的措施。此焊缝当时焊接的环境温度较低，大约-12～-10℃，焊工在没有预热的情况下焊接 （按照规范要求在摄氏0℃以下焊接应采取保温措施），使得16 Mn钢在连续冷却时珠光体的转变大大往后推迟，在快速冷却过程中铁素体析出后剩下的富碳奥氏体来不及转变为珠光体，最后转变为含碳较多的马氏体。此外，该构件比较厚，结构刚性较大，所以接头的淬硬倾向较大、韧性低，这可能也是其产生冷裂纹的原因。

（3）焊接接头拘束应力的影响

焊接接头的应力在形成冷裂纹过程中起着决定性的作用。焊接件的局部加热，会在焊接件上产生不均匀的温度场，使材料产生不均匀膨胀。处于高温区的材料受到周围温度较低、膨胀量较小的材料的限制而不能自由地膨胀，即焊接件内出现内应力，高温区的材料受到挤压，产生局部压缩性应变。在冷却过程中，经受压缩性应变的材料，由于不能自由收缩而受到拉伸，于是焊件中又出现了一个与焊件加热方向大致相反的内应力场。另外，由于构件受到焊接热循环的作用，使焊缝金属的内部组织发生了不同的变化，产生相变应力。除以上两种原因之外，如果焊件被刚性固定或焊件之间相互牵制，也会在焊接件中产生焊接应力。

由于炉口与炉体为嵌入式的角接结构 （长方形炉口2000 mm×1500 mm，为预制品），焊接时焊缝之间受到的相互牵制作用较大，所以焊接时产生较大的拘束度。由于焊接时产生的内应力和相变产生的组织应力的作用，再加上没有采取松弛应力的措施，致使应力过大处产生裂纹。由此可以推断这也是其产生裂纹的原因。

此外，焊接线能量过小、焊接速度过快等焊接参数选择不当也可能是出现裂纹的原因。

4 防止焊接裂纹的措施

对冷裂纹的出现，必须采取切实可行的措施来解决。通常可采取以下一些措施：

（1）减少氢的来源，焊条要烘干，要对坡口进行处理等。

焊条按工艺要求在350～400℃温度下烘干，且烘干时长为2 h，烘干后放在 100～150℃保温筒内，随用随取。焊前对坡口两侧清理打磨干净，尽量做到无油、无锈、无水。

（2）避免产生淬硬组织，焊前预热、焊后缓冷，降低焊后冷却速度，以减少马氏体组织的产生。

因在冬季检修，环境温度低，所以搭设保温棚，以保证施焊时的环境温度。此外，焊前必须预热至100～150℃，焊接过程中必须控制层间温度≤400℃，以确保焊接质量。

（3）采用合理的焊接工艺以降低焊接应力，还可采取焊后热处理等措施来消除焊接应力。

焊后消除应力热处理温度为600～650℃，保温时间2.5 min/mm。焊后还可采取一定的松弛应力措施，如用小锤锤击坡口及焊道两侧。

（4）在焊接过程中要很好地控制热输出，以减少焊接部位的渗碳、减轻淬硬。尽量使焊接线能量大一些 （I=210～240 A）、 焊速慢一些。

（5）焊后渗油检验。

5 结语

在冬季检修施工时，阳极炉炉口焊缝出现了裂纹。我们从分析裂纹产生的原因入手，在实践中总结出采取控制扩散氢的来源、焊前预热、焊后后热以及控制焊接热输入等措施，解决了焊接裂纹的问题。经过检验，采取这些措施后得到的焊缝完全合格，从而阳极炉炉口的检修工作得以圆满完成。