中间包耳轴内部裂纹分析及修复措施

摘 要 本文从工作实际中遇到的问题出发，选取了一个有代表性的例子，探索类似问题的解决方案。如承接某钢厂中间包耳轴修复的工程任务，经过详细分析原因，找出了问题的关键，制订相应的工艺措施，保证了中间包耳轴的焊接质量，圆满地完成中间包耳轴修复任务，同时在以后的工作中，采用此方案可以避免问题的重复发生。

关键词 焊接；裂纹；产生原因；工艺措施

中图分类号TG4 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）107-0116-02

炼钢厂用来装钢水的中间包是一个非常重要的设备，如中间包耳轴与本体接触面的焊接部位内部产生裂纹，将存在极大的安全隐患，一旦使用过程中发生断裂，后果将非常严重。我们通过理论分析，找出中间包耳轴内部裂纹产生的原因，对症下药，制定相应的工艺措施进行修复，避免了问题的重复发生。

1 中间包的主要特征及技术要求

1）母板的厚度及耳轴尺寸大小：20mm，耳轴φ160×374

2）接头形状及坡口大小：耳轴为φ160直径，材质为ST52-3的实心圆柱体，中间包腰侧部位开孔与耳轴连接。

2 中间包耳轴焊接裂纹的原因分析

生产实践与理论研究证明：钢材的淬硬倾向、焊接接头中的氢含量及其分布、焊接接头的拘束应力状态是形成延迟裂纹的三大要素。作为中间包必须严格控制裂纹产生的倾向。

2.1 ST52-3焊接可焊性分析

试验研究结果表明，碳当量与焊接热影响区的最高硬度存在着相应的关系，一般来说碳当量越高，热影响区的硬度值越高，出现焊接裂纹的可能性也越大。用“碳当量法”对ST52-3的可焊性进行分析后，从碳当量指数及裂纹敏感指数来看，ST52-3抗裂能力较强，焊接性较好。但是，如果焊接时采取的工艺措施不当，也会造成焊缝的裂纹。

2.2 中间包耳轴焊缝裂纹产生的影响因素

为了弄清裂纹产生的原因并有效地防止产生裂纹。我们对焊缝产生裂纹和因素进一步进行了研究分析，主要归纳为二个方面：冶金因素、结构方面因素。

1）冶金因素

影响冶金因素主要是焊缝化学成份，杂质含量，结晶组织等。

从材质证明中可看出，产生裂纹的原素，碳、硫、磷等已经得以控制，不可能单独造成焊缝裂纹。

而氢可通过气相和熔渣向金属中溶解，促使该处金属进一步脆化而导致冷裂纹。

其次，在焊缝与母材相邻部位的熔合区的分界面常是产生裂纹和脆性破坏的发源地。由于整个焊接接头的组织在连续冷却下是非平衡组织，它不再遵守平衡条件下的相变规律，所以不能完全根据金属热处理的理论去解决焊接接头的固态相变问题。

2）结构方面因素

中间包耳轴与本体成T字形焊接，因耳轴尺寸较大，相对钢板存在不均匀加热及冷却过程引起的热应力以及结构自身约束条件造成的应力；另外耳轴由于生产及加工原因，可能存在比钢板有较多的杂质，当焊接时，焊缝收缩会在母材厚度方向产生很大的拉伸应力和应变，当应变超过母材金属的塑性变形能力时，夹杂物与金属基体之间就会发生分离而生成微裂纹，在拉力、重力及扭力的综合连续作用下，裂纹就沿夹杂物所在平面上扩展，形成了“平台”。平台发生多处且相互平行。易发生剪切断裂，在耳轴与本体之间就形成了剪切壁。

综合上述：造成裂纹的冶金原因是钢材中存在较多夹杂物，而在轧制过程中形成平行于轧向的带状夹杂物，造成了钢材力学性能的各向异性。而构件的断裂应力，与存在于构件中的的裂纹和缺陷有密切关系。所以说，冶金因素是产生裂纹内因，应力是必要条件，冶金因素与结构原因结合才能造成裂纹，且二者缺一不可。因此，我们提出了合理的方案：如选择合适的焊条，同时对母材进行预热的方案，在焊接工艺上要控制热输入及预热和后热的执行，减少焊接残余应力，从而得到良好的焊接接头。

4 中间包耳轴焊接防止产生裂纹的措施

4.1 施工执行标准

1）设计施工图；

2）YBJ202-83 冶金机械设备安装工程施工及验收规范（炼钢设备）；

3）焊接人员考试培训及焊接内部质量执行GB50236-98《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》；

4）超声波探伤执行GB/T11345—89《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》。

4.2从冶金因素方面控制

控制焊缝中有害杂质，尤其是限制磷、硫、氧的含量，对焊缝进行彻底除锈；其次，应采取一切可能的措施降低钢中的氢含量，选用具有良好的塑性、韧性和抗裂性能的低氢钠型焊条，可最大限度地减少氢的危害。

4.3从工艺因素方面防范

主要从焊接工艺参数、预热接头设计和焊接顺序等方面去防治裂纹。

1）焊接工艺及规范：主要是焊条的选择，焊接规范等几个方面，工人经过专门培训后方才上岗；

2）接头型式：对于这种厚板和实心构件连接，我们采用带纯边单边V型坡口， 手工多层多道焊接，各层的熔深注意控制，尽可能增大焊脚尺寸，以增加焊缝受力面积，降低板厚方向的应力值；接头处尽量避免应力集中，不允许接头重叠；

3）焊接顺序：我们采取手工多层焊接热循环方式，并尽量使大多数焊缝能在较小刚度和拘束度的条件下焊接，减小焊缝受力，控制线能量，防止收缩不均匀，改善焊缝的一次结晶：控制焊条与母材的熔合比，采用短弧焊，使一次结晶均匀细化。分散应力，减小裂纹倾向。

4.4温度应力方面主要控制

1）考虑施工现场环境、温度、湿度、安装拘束应力、冷却条件，为防止裂纹，保证质量，有必要进行预热缓冷措施；

2）焊完全部焊缝后进行热处理：将全部焊缝加热至180℃-200℃左右后缓冷。

在采取以上措施的同时，我们组织了功关小组，指定专人进行操作严格控制焊接规范，并随时观察做好记录发现问题及时处理。

经实践证明，采取上述措施，有效地防止了接头裂纹的产生，保证了产品质量，焊缝经超声波100%无损探伤，未发现裂纹缺陷，探伤级别按GB/T11345规范之规定，焊缝质量达到Ⅰ级标准，且整个中间包耳轴的变形也控制在技术要求范围之内，得到业主的好评。通过这次焊接，使我们掌握了ST52-3的焊接特点，取得了许多宝贵经验，解决了大厚度构件刚性焊接困难的实际问题，为今后工作开展打下基础。

参考文献

[1]陈祝年，编著.焊接工程师手册.机械工业出版社， 2002，1.

[2]崔忠圻，主编.金属学与与热处理.机械工业出版社，1992，10.

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