真空钢渣罐制作焊接缺陷分析及处理

黄凌志

武汉钢铁绿色城建金属结构有限责任公司 湖北武汉 430000

1 序言

真空处理钢制渣罐用于盛装经RH真空炉精炼处理后的废弃高温钢渣，要求与炼钢重型起吊设备安全匹配，便于罐底钢渣的倾倒。该种类型钢渣罐原为整体铸造，容积和体重均无法满足现场工艺要求。

武汉钢铁绿色城建金属结构有限责任公司首次研制该类型钢制渣罐，具有材质性能好、精准度高、容积大、重量轻及经济实惠的特点。由于钢渣出炉排放前已进行过降低温度的处理，故此真空处理钢制渣罐采取在罐底铺设耐材层进行罐体保护。其主要特点如下：①罐体为倒锥体结构，上端内口直径为4440mm，下端内口直径为2700mm，总高达3590mm，单件净重约50t。②罐体底板及壁板厚度均为70mm，材质为Q355R；耳轴的材质为35锻件钢（以下简称35钢），耳轴座材质为ZG310-570。③钢制渣罐工作和运行时主要有平行起吊及翻转出渣两种工位，各种工位运行时均要求设备平稳可靠、翻转灵活自如，因此制作质量要求较高。

本文主要论述真空处理钢制渣罐制作工艺控制过程，重点对真空处理钢制渣罐制作焊接过程进行有效控制，解决异种钢焊接难点。对焊接生产过程中出现的焊接质量问题进行诊断分析，制定相应返修工艺，确保焊接质量合格。

2 制作过程中的重点与难点控制

（1）重点与难点分析 真空处理钢制渣罐采用厚板焊接结构形式，罐体底板及壁板厚度均为70mm，焊接过程中会产生较大焊接应力；罐体底板及壁板材质与耳轴、耳轴座材质不同，且35钢和ZG310-570均属于中碳钢，焊接性差，易产生裂纹、气孔等缺陷[1]。因此，制作的重点与难点控制主要包括厚板焊接和异种钢焊接两个方面。

（2）主要制造工艺流程 主要工艺流程如图1所示。

（3）材料质量检测控制 所有材料入厂前应具有产品合格证明书，其中罐底、罐体所用Q355R材料按NB/T 47013－2015《承压设备无损检测》进行100%UT检测，三级合格。

（4）耳轴、耳轴座、耳轴套外委加工质量控制 耳轴超声波检测内部缺陷，结果为二级合格，按V组锻件检验，调质处理，硬度达到207～269HBW。耳轴座、耳轴套正火加回火处理，超声波检测内部缺陷，结果为二级合格。

图1 主要工艺流程

（5）组焊工艺质量控制 组装顺序为：罐体拼焊→底板与罐体拼焊→装焊耳轴→装加强箍→底板与罐体组装→装焊倾翻装置→装焊耳轴周围的加强筋。罐体与罐底组装完后，对局部圆度超差处进行火焰矫正。上口直径 、圆度、罐高在允许公差范围内的情况下，在上口处应加焊临时支撑。装耳轴前应将罐体摆放好、测平，用经纬仪测定耳轴的装焊点，以保证耳轴的同轴度。两耳轴同轴度的最大允差为3mm。所有零件必须在检测后方可装配。

（6）厚板焊接控制 当母材厚度≥32mm时，针对重要部位焊前需预热到100～150℃，预热方法为煤气加热。焊后进行热处理，工艺为150～200℃并保温2h以上。要求连续一次性焊完并保证层间温度＞100℃。对于没能连续焊完的焊缝，再次施焊前必须重新预热。

（7）罐体组装控制 ①罐体底板允许接一条焊缝，接料宽度≥1000mm。②罐体分上下两个部分，每部分由两个半圆形成，各片下料必须用数控切割机切割。③罐体各片下料时，每片母线及弧长方向需留2mm焊接收缩余量。每端预留滚圆压头余量700mm（或采取焊接压头板方式）。④扇形面滚圆采用分区滚制法，应用弦长＞1500mm的检查样板在曲面大口和小口检查曲率，锥面与样板的间隙＜3～5mm。⑤筒体滚圆成形后，其上下口弦长误差应在2mm内，串角＜5mm。⑥接缝应按图样布置，对接错边量＜2mm，圆度应控制在3mm以内。

（8）焊缝检测 真空处理钢制渣罐主要焊缝和检测要求见表1。

3 异种钢焊接缺陷处理

（1）现象描述 经检查发现，耳轴座与耳轴间的环焊缝热影响区出现冷裂纹，如图2所示。

图2 环焊缝处出现裂纹

（2）原因分析 ZG310-570与35钢属于中碳钢，裂纹分布在热影响区。该类缺陷主要是由于碳当量偏高、淬硬组织过多，以及焊条熔敷金属中氢含量过多所致。

1）碳当量分析。耳轴座材质为ZG310-570，耳轴材质为35钢，两种材质的化学成分见表2。

由表2可知，35钢化学成分的各项数据低于ZG310-570，因此依据ZG310-570化学成分质量分数的上限值，由碳当量公式计算出最大碳当量值为0.773%，这说明其焊接性较差，属难焊材料，需采用较高的预热温度和严格的工艺方法。

表1 真空处理钢制渣罐主要焊缝和检测要求

表2 耳轴座和耳轴材质的化学成分（质量分数） （%）

2）淬硬组织分析。焊缝和热影响区的冷裂倾向，除了与其成分有关外，组织对性能的影响更为明显。在成分一定的前提下，组织决定冷却速度。淬硬组织越多，硬度越高，焊接性越差。通过控制冷却速度，改变焊接区的组织种类和硬度，降低产生裂纹的可能性。

焊接时母材的实际初始温度和焊接热输入大小影响着冷却速度，我们在实际焊接中，未采取相应的后热措施，导致冷却速度过快，这也是产生冷裂纹的主要原因。

3）氢的影响分析。引起冷裂纹的因素，不仅是碳当量、冷却速度或者淬硬组织，焊缝中的氢含量同样会增加冷裂纹敏感度。在焊接过程中和焊后，焊缝中的氢会不断地向热影响区扩散或聚集，导致热影响区组织不易变形，增大产生冷裂纹的概率。

4 焊缝返修采取的措施

（1）焊前准备 ①用碳弧气刨清除裂纹。注意碳棒角度指向焊缝中心，采取分段逐层处理，每个分段长度≤200mm、深度≤5mm，最后处理各分段长度为50mm的间隔段。②采用风枪匀速清除焊渣，用肉眼观察裂纹情况。③清理完所有冷裂纹后，用锥形小磨头打磨焊道，清除渗碳层后，采用着色检测确认结果。

（2）焊材的选择 焊缝及热影响区的组织及性能在很大程度上取决于焊材，为了保证焊缝的力学性能与母材的性能相匹，焊缝熔敷金属的强度要求与母材的强度基本上等强[2]，同时保证熔敷金属具有良好的抗裂性能及抗氧化性能，选用φ3.2mm和φ4.0mm奥氏体不锈钢焊条，如A302。

焊接区的氢主要来源于焊接材料和焊接区的水分，提高焊材的烘干温度，可降低焊缝中溶解的氢。因此，为防止裂纹的产生，焊条在使用前必须要进行300～350℃的烘干，并保温2h，焊接时使用保温桶。

（3）焊前预热 预热的目的：一是可以降低焊接接头的冷却速度，有利于焊缝金属中扩散氢逸出，避免氢致裂纹；二是可减小焊接区与焊件整体之间温差值（也称温度梯度）。因为温差值越小，焊接区与焊件结构间温度不均匀性也越小，所以降低了焊接应力，也降低了焊接应变速率，有利于避免焊接裂纹。

焊前预热温度为250～300℃，预热方法为煤气或电辅助加热，并用石棉包裹至仅露出焊接区域，加热范围为坡口两侧150mm。如中断连续焊接，再次施焊前必须重新预热。

（4）施焊 选择有经验的焊工施焊，耳轴座和耳轴焊缝返修采用焊条电弧焊，焊条为A302，直流电源。打底焊使用φ3.2mm焊条，焊接电流为70～130A；填充和盖面焊使用φ4.0mm焊条，焊接电流为100～160A；采用多层窄道焊接，注意控制层间温度，焊条摆动不得过大，且不要在轴块侧过多停留。

（5）焊后后热处理 焊后热处理温度为250℃，保温2h以上，然后缓冷，24h后进行100%UT检测。

5 裂纹修复后热处理

（1）热处理要求 热处理之前需检查设备、温控仪表、自动记录仪是否完好，并经专检员签字认可；耳轴座修复且经无损检测合格后进行整体消除应力热处理；耳轴座入炉时炉内温度≤300℃。

（2）焊后热处理 焊后热处理工艺曲线如图3所示。

图3 焊后热处理工艺曲线

6 结束语

通过对真空处理钢制渣罐制作中出现的耳轴座和耳轴间焊缝冷裂纹问题进行分析，并且制定出相应的返修工艺，达到了制作要求，进行一次返修处理后，没有再次出现焊缝质量问题。由此可见，对于ZG310-570材质的组装产品，选用A302焊条，进行250～300℃预热，并通过减缓冷却速度，在规范的工艺指导下进行操作，既可降低该类材质焊接冷裂纹缺陷产生的可能性，又为今后的钢结构组装过程中，对于中碳钢的焊接可起到一定的借鉴作用。