法兰焊缝裂纹产生原因和整改方案

张立朋,2

(1.上海交通大学材料科学与工程学院,上海 200240;2.必维国际检验集团,上海 200011)

法兰焊缝裂纹产生原因和整改方案

张立朋1,2

(1.上海交通大学材料科学与工程学院,上海 200240;2.必维国际检验集团,上海 200011)

该文根据作者在必维国际检验集团(BUREAU VERITAS)工业与设施事业部的工作经验,以实际的水泥磨检验中的齿圈法兰焊接为例,通过分析这些缺陷形成的原因,参照美国焊接标准(AWS)等诸多标准中的焊接要求,经过不断的工艺改进,设备加工过程中的缺陷得到了有效的控制,保证了设备的质量。

法兰焊接; 缺陷; 工艺改进

在大型设备的制造中,法兰连接是一种最常见的连接形式。由于在设备的运转过程中,法兰将承受较大的扭矩,因此对法兰与筒体的焊接也就提出了很高的要求。在法兰与筒体的焊接过程中,焊缝中经常会产生裂纹等缺陷[1]。

1 裂纹缺陷产生的原因

水泥磨机的齿圈法兰,在金工车加工完毕以后,进行最后验收检验时发现在齿圈法兰焊缝处存在垂直于焊道的微小裂纹,且数量较多。现就对裂纹产生的原因进行分析。

首先,以原材料检验为出发点,分析缺陷的形成是否与原材料有关。齿圈法兰和磨机筒体均采用Q245R材料。Q245R属于普通碳钢,焊接性能良好,并且通过对原材料物理化学性能的复检,材料本身没有发现质量问题,故排除材料本身引起的裂纹缺陷。

其次,对焊接材料进行检查。此次焊接采用的焊接方法是SMAW,焊接材料为J507焊条。在焊接齿圈法兰前,焊条经过了恒温350℃、时间2 h以上的烘干,并且在100℃进行了保温。在焊接时,焊条也是放在保温桶中进行持续保温,因此也排除了焊条未烘干而引起焊接裂纹的情况。

因此,我们将重点放在焊接工艺上,重点考虑是否是焊接工艺上出了一些问题。

焊接齿圈法兰采用的是SMAW,采用SMAW必然存在着焊接周期长、焊接温度不均匀、焊接接头多的问题。齿圈法兰并非在转盘上匀速旋转进行加热,而是由多人采用手工进行加热的方法。这必然导致某部分焊缝的预热温度高,某部分焊缝的预热温度低,这将导致整圈的焊道冷却速度不一致,存在温度差,在焊道中存在着较大的焊接纵向残余应力。尤其是在每两条焊道的接头处,这个位置的应力尤其巨大。同时,SMAW的焊接周期较长,焊接一个齿圈法兰要用三天时间,要进行重复加热,这必然会使之前已经焊接好的焊道再次膨胀,而其中又存在较大的纵向残余应力,从而导致再次冷却后产生垂直于焊道的微小裂纹。

2 工艺改进

2.1 焊接工艺

以200 mm厚钢板为例,钢板为普通碳素钢Q235,具体焊接工艺如下:

1)开破口:厚钢板需要双面开V型破口[2],具体参数见表1。

2)焊前清理:在焊接前,清除坡口及两侧30～50 mm范围内的氧化皮、油脂、铁锈、水分、杂质等。

3)焊条烘干:根据相关焊接标准的要求,碱性焊条在使用前应进行300～350℃烘干或遵照焊条制造商规定,保温2 h。在进行焊接及焊接过程中,确保焊条放在100℃左右的保温桶中。

4)预热及层间温度的控制:由于钢板厚度达到了200 mm,所以预热是必要的,根据钢板中C含量及考虑其厚度。碱性焊条焊接及气保焊的焊接预热温度约为180～200℃,并保证预热均匀(可以考虑采用电加热),焊接过程中保持层间温度200～400℃。如焊接中断,需要重新进行预热。

5)焊接参数(热输入的控制):具体焊接参数要求,见表2。

6)焊接操作:多层多道焊,窄焊道薄焊层,除了立焊位置外不允许摆动。立焊时,摆动距离最好不超过焊条直径的3倍。

7)为了确保焊接质量,建议在焊接完成整个板厚的1/4、1/2时,各进行一次中间UT探伤,以便及时发现问题并进行返修,以保证整个焊接质量。但一般返修2次后,依然出现缺陷,则暂停返修,仔细分析原因后再进行。返修时,预热温度应比正常焊接时高30～50℃。

2.2 机加工要求

在上机床金加工时,对齿圈法兰处粗加工留1 mm余量,再增加一道中间MT检验。若有缺陷先进行处理后,再精加工。

3 返修工艺

1)使用卧车将法兰切除,直至热影响区。接着测量筒体的外径,并做MT检验。

2)制作2个半圆法兰。根据筒体外径来配车法兰内径,并按照图纸及AWS焊接标准要求车焊接坡口。

3)预热焊接区域100 mm范围内到90～110℃,保证层间温度100～150℃,并根据焊接工艺持续加热保证温度。从法兰两侧同时焊接,保证两侧热输入相同。使用AWSE7015焊条。打底使用3.2 mm焊条, 100～120 A电流;然后使用4 mm焊条,150～170 A的电流。焊接完成后,进行保温和缓冷。

4)筒体上卧车,根据2端滑履调整,然后车法兰外径。在还有0.5～1 mm余量的时候对焊缝做MT检验。车到最终尺寸后,再对焊缝做MT检验,并测量法兰轴向和径向的跳动尺寸。

5)在滚轮上钻法兰连接孔。

4 结 语

在机械设备加工过程中,法兰的焊接是一个很复杂的过程。在焊接过程中需要考虑各方面的因素,才能达到良好的焊接质量。以上工艺是在实际生产工作过程中对法兰焊接的一些经验总结,希望在当今设备重型化的过程中,能对重型设备生产厂家的生产提供帮助。

[1] GB11345,焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级法[S].

[2] AWS D1.1/D1.1M:2004,Structural Welding Code-Steel[S].

[3] 丁春林,张 骅,张国防,等.新型混凝土增强纤维基本性能特征分析[J].新型建筑材料,2008,35(3):14-16.

[4] 张立朋.机械设备加工过程中厚板焊接工艺[J].建材世界,2012,33(4):137-138.

[5] 谷亚新,翟玉春,刘运学,等.聚苯胺/膨润土导电性功能填料的研制[J].新型建筑材料,2008,35(4):31-33.

The Cause of Flange Welding Cracks and the Plan of Repair

ZHANG Li-peng1,2
(1.School of Materials Science and Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China; 2.Bureau Veritas,Shanghai 200011,China)

This dissertation is based on the writer's experience in Bureau Veritas industry and facilities division,and takes the gear flange welding inspected during examination as an example,analyzes the cause of those flaws,refering to welding requirements specified in standards like AWS and tries to effectively control the flaws during machining by continuous process improvement,to ensure the quality of equipment.

flange welding; defect; process improvement

2014-05-15.

张立朋(1984-),工程师.E-mail:zlp0504@163.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.019