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    9Cr-1Mo炉管焊接裂纹的控制

    2018-11-07   来源:   点击数:24次 选择视力保护色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)   合适字体大小:
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       中国钢管信息港调查队获悉:在焊接安装和焊后热处理结束后,对焊缝进行无损检查时发现焊缝多处出现大量裂纹,导致F-301/B炉炉管全部割除返修。因此,对9Cr-1Mo材质的焊接施工,尤其是对本次改造中所采用的结构形式的炉管施工及如何保证其焊接质量成为迫切需要解决的难题。
      
      高速钢是一种重要的刀具材料,它具有比碳素工具钢更高的淬回火硬度及红硬性,但其价格也相对较高。为节约高速钢材料,降低刀具成本制造杆类刀具(如麻花钻、丝锥等)时,普遍采用碳素结构钢(柄部材料)与高速钢(刃部材料)焊接制坯。焊接方式主要有闪光焊和摩擦焊。闪光焊的焊接质量不稳定,易产生氧化脱碳而形成铁素体条带,造成组织过热、过烧等冶金缺陷。摩擦焊则可获得较理想的焊接效果。本文采用经优化的摩擦焊接工艺参数及焊后热处理工艺,获得了具有良好显微组织和力学性能的45钢/W8Co3N高速钢焊接接头。
      
      焊接试验材料采用45钢和W8Co3N高速钢棒材(14mm),材料原始状态分别为正火态(45钢)和退火态(W8Co3N高速钢)。
      
      采用C20型连续驱动摩擦焊机进行焊接,焊机主轴转速为1475r/min,摩擦焊接工艺参数见表1.表1摩擦焊接工艺参数摩擦压力顶锻压力摩擦时间顶锻时间顶刹制度同步接头焊接后立即进行退火处理,以消除焊接残余应力,然后进行整体淬火和三次高温回火。退火工艺为:860*C保温5小时,炉冷至560*C后空冷。淬火工艺为:淬火加热温度1220*C,回火加热温度550
      
      1基本情况F-301/B脱氢进料加热炉的设计炉型为竖琴式纯辐射单排双面辐射型,进出口集合管分别设在加热炉炉底和炉顶。
      
      5Mo)原施工组对时,28根炉管的56个焊口均定位点焊,然后预热焊接、后热去氢处理,之后对焊缝进行了着色和X光无损探伤。合格后上、下集合管与炉管焊口分别进行整体热处理,在热处理后的再次复检时发现大量裂纹,产生裂纹的部位大部分在9Cr-1Mo炉管侧的热影响区,少量裂纹在焊缝区。
      
      2裂纹起因分析从结构上看,F-301炉型为竖琴式加热炉,其炉管与集合管焊接形成一种超静定的框架结构()。如果组对时炉管与集合管拔出口采用了定位焊在预热、焊接和热处理等过程中,除产生正常的焊接残余应力外,由于膨胀、收缩的严重不从材料看,炉管为具有很高淬硬倾向的9Cr- 1Mo材料,它对焊接冷裂纹极为敏感。这种材料在焊接状态下,其焊缝和焊接热影响区的组织均为马氏体组织,其硬度超出了最高允许值,经适当后热处理后,硬度才降到安全范围内()。一旦这种材料的焊接和热处理不当,使焊缝处硬度加,在应力的作用下就容易产生裂纹,在焊缝区存在扩散氢的条件下更易引起氢致延迟裂纹,因此正确的焊接和焊后热处理工艺至关重要。
      
      中国钢管信息港调查队获悉:施工方面,在第一次制定炉子施工方案时,由于对本炉子的结构和材料特点认识不足,因此在焊接施工时,采取了以下几种不恰当的施工工达到要求的温度,哮合管出口1侧受热膨胀,酿i预热吝时热影响响区基本本上形成贝氏体其硬度。netbookmark3 9Cr-1M钢热处理前后焊缝区硬度对比炉管组对时采用了定位焊。在炉管第一次组对时,先把28根炉管的56个焊口做了定位点焊。这样,一方面整个炉子就形成了一个刚性的框架结构,每个焊口在焊接、热处理过程中,因膨胀、收缩的严重不一致而造成互相牵制,从而产生极大的约束力;而9C-1M材料的淬硬倾向很高,过高的约束力为产生冷裂纹创造了条件,甚至会直接拉裂焊口。另一方面,点焊时只作预热,不作焊后热处理,在9CHM钢焊接热影响区就存在了大量马氏体,在随后的焊接过程中虽经打磨,但只能磨掉焊肉,而硬化了的热影响区磨不掉,这些部位都是冷裂纹产生的隐患区。
      
      施工时对扩散氢的作用未引起足够的重视。使用的热307焊条为碱性焊条,未严格保证现场使用时焊条在保温箱中加热保温;焊接后又没有严格作去氢处理,故焊缝区易进入扩散氢,为延迟裂纹的产生创造了条件。
      
      C.在第一次施工时,没有严格地按规范要求控制焊接、热处理过程。在第一次焊接后,焊件直接被冷却到室温,且在常温下放置了20多天后才做热处理。这时焊缝及热影响区金属组织全部转化为马氏体这种组织在室温下为低韧性、高硬度的不稳定组织。在相变应力和约束应力的作用下,极易导致冷裂纹产生,焊接后不及时进行焊后热处理,使延迟裂纹有了产生和扩展的机会。
      
      d.在第一次施工时,没有对集合管、炉管因温度差造成的变形作平衡处理。因集合管拔出口仅50mm高,且28个拔出口都集中在集合管的一侧,在预热、焊接及热处理过程中,为保证焊口能使整个集合管产生相当大的弯曲变形(焊口加热到200*C时,集合管的不直度己达10)。第一次施工时,没有考虑温度的平衡,在集合管拔出口的另一侧没有辅助加热,而炉管又是固定的(施行定位焊)。于是,在施工中集合管巨大的弯曲变形给所有定位焊和己焊好的焊口加了应力,这也是导致裂纹产生的一个因素。
      
      众所周知,产生冷裂纹的条件是有淬硬的显微组织、较高的应力、较高的扩散氢浓度。从前面的分析可知,第一次施工具备了这些条件;而冷裂纹通常有延迟性。事实上,本炉管是在放置20d、经热处理后的复验中才发现了大量的裂纹。冷裂纹的分布主要集中在炉管(9Ci- 1Mo)侧焊缝熔合线附近的热影响区,少数在焊缝处,这也正好符合氢致延迟裂纹(冷裂纹的主要形式)的特征。可见,本炉管的裂纹属于焊接冷裂纹。
      
      3焊接控制措施31基本思路考虑到竖琴式结构对炉管焊接的不利影响和P9材料的易淬硬性,要保证本炉管的焊接质量必须要做到以下几方面:a.使焊接性能较差的P9(9Cr4Mo)材质的焊接尽可能处于无约束状态;。
      
      焊接工艺合理;。热处理(包括预热和后热)过程合理,严格控制焊后冷却过程中最低温度及焊后热处理的时间间隔;d.使各炉管在焊接、热处理过程中的膨胀、收缩状态尽可能地接近。
      
      32控制措施321在P9炉管下端接一节P11的短节对于竖琴式框架结构的炉型要降低炉管的约束度是不可能的。如果炉管的这种高约束力与9Cr-1Mo这种具有高淬硬倾向的材质相结合,无疑产生裂纹的概率大大加。为此,在P9炉管下端接一节P11的短节()即先在制造厂焊接炉管与短节(活动口)再在现场焊接上集合管与炉管上口(由于所有焊口都使用定位对中器,这时炉管仍处于可自由上下移动状态)最后焊接下集合管与炉管下端短节。这样,使最难焊的P9+P11焊口均在自由状态下焊接,大大减少了焊接时的应力。而在焊接炉管下口时,高约束的框架形结构虽然产生极大的约束应力,但此时焊口为P11+P11材质,其淬硬性要比9Cr-1Mo低得多,在32.2炉管组对采用定位对中器在本次返修施工中,规定组对时不得进行定位点焊。为了保证炉管与集合管拔出口的对中和定位,专门设计了一种定位对中器,放置于炉管内焊口处。拧紧螺母,通过两端的锥面使对中器撑紧炉管和集合管拔出口从而定位对中,这样既避免了定位点焊可能产生的隐患,并且在焊上口时下口间隙可变动,减少了上口焊接时的应力。焊完上口后,下口可重新组对、间隙可重新调整,保证了焊接质量。
      
      32.3严格焊条烘烤制度焊条有专人负责,严格按规范进行烘烤。焊条从烘箱中取出后必须立即放入己加热的保温箱,保温箱必须现场加热,使用时随时盖紧箱盖。
      
      焊条在现场放置不得超过半天,并随机检查执行和记录情况,以达到控制扩散氢的目的。
      
      32.4严格控制焊接工艺炉管焊接采用氩弧焊打底,手工电弧焊填充、盖面。氩弧焊打底时,每个焊口由两个氩弧焊工组成一组,从焊口两边对应点同时起弧焊接。这样可以保证焊口两侧的收缩量一致,从而保证焊缝尺寸均匀。盖面采用多道排列,先焊P9―侧;收弧时,把握好电流衰减;对起弧点和收弧点作适当修磨,以消除可能存在的焊接缺陷。
      
      32.5科学地制定热处理方案并严格执行采用加热板进行热处理,P9+P11焊口的热处理过程()如下:a.预热。考虑到焊接环境预热温度应尽量低,同时根据规范111的要求,预热温度选淬硬倾向b.后热去氢处理。焊接后立即进行400 1h的后热消氢处理,以减少冷裂纹产生的概率。
      
      氢是产生延迟裂纹的重要因素,后热处理是一种防止焊接裂纹的重要措施。如果使焊缝中的扩散氢降低到一定数量,就能有效防止焊接裂纹。
      
      采用后热措施,还可降低预热温度,改善焊接条件;同时可避免预热温度过高带来晶粒粗化形成不良的高温组织转变等。是国内常用低合金钢避免延迟裂纹的后热温度和时间的关系图。
      
      同样,结合9C-1M.的特性,确定后热温度400时间1h.大的1侧材质的预热温度的下限,即以fe9J(b热钢的特性,必须明确规定焊接结束后焊件在netbookmark4 C.规定焊接结束后冷却时允许的最低温度及高温回火热处理。后热后,如果直接做最终热处理,残留部分奥氏体就可能最终变成马氏体组织,从而失去热处理的基本作用。但根据中合金冷却过程中允许的最低温度,且在焊件残余奥氏体转变成马氏体后,就立即进行回火处理。因此,后热后,将焊缝冷却到100~120保温1h,使残余奥氏体全部转变成马氏体以便在最终热处理时使马氏体组织得到回火处理而改善韧性。等马氏体转变一结束,立即进行750~火热处理,达到消除应力、降低焊接区硬度、稳定组织、改善机构性能的目的,以获得优质的焊接接头。
      
      从预热-焊接-后热消氢-高温回火热处理到保温降温为止,整个过程不得间断,同时进行不间断的温度监控。
      
      根据竖琴式框架结构的特点,下集合管与炉管的焊接不能采用单根管预热、焊接、热处理这种常规方法。因此采用28根炉管同时升温预热,几组焊工同时焊接并在尽可能短的时间内焊完全部管子,然后用同时后热去氢、同时高温回火热处理的方法。
      
      32.6施工过程中注意温度平衡为避免集合管在预热、焊接、热处理过程中产生弯曲变形,在集合管拔出口的另一侧均匀地铺上辅助加热板()。在不同的施工阶段,分别做相应的辅助加热。与此同时全过程监控炉子各个部位的变形,及时调整辅助加热器,使炉管的变形与集合管的变形相协调,避免炉子温差应力过大而产生裂纹。
      
      4结束语辅助加热示意图本炉子的返修施工严格按上述措施进行预热、焊接、热处理。施工结束后,所有焊缝进行了100%的X光无损探伤检查、表面着色、硬度检查。
      
      检查结果全部合格,在整个返修施工过程中所有焊缝未发现一条裂纹。
      
      型的炉子虽然施工难度大大加,极易产生裂纹。但只要采用科学合理的施工工艺,并严格控制,还是可以避免产生裂纹的。
      
      1焊接性分析Mone合金的导热性差,焊接时热量不易散出,容易形成过热,造成晶粒粗大,使晶间夹层增厚,从而减弱了晶间的结合力,还使焊缝金属的液固相存在的时间加长,促进了热裂纹的形成。同时其合金元素镍非常易被硫和铅脆化,也加速了热裂纹的形成。Monel合金的焊接气孔有H20气孔、H2气孔和CO气孔,而以H20气孔为主。H20气孔是Monel焊接中常见的气孔。由于液态镍能溶解大量的氧,当凝固时,氧的溶解度大幅度减小。凝固过程中由于过剩的氧将镍氧化成氧化亚镍,氧化亚镍和熔池中的氢化合,镍即被还原,而氢和氧结合成H20.其在熔池凝固时来不及逸出,而易形成气孔。因此应采取必要的焊接工艺措施来防止上述缺陷的产生。
      
      2焊接工艺2.1坡口选择试件选用单面V型坡口,坡U角度、钝边大小以及间隙按壁厚来确定。我们选用x=11的Monel合金板做试件,其坡口角度为60.,钝边/> =1.5~2mm,间隙6=2.5~3mm(见图l)n坡1I加工方法用机械方法进行,焊接前应用砂轮机对坡口两侧2030mm范围内进行清理,并丙酮严格清洗坡口。
      
      2.2焊条选择*2.4,该焊条为低氢型焊条,具有良好的抗裂性。焊接时,应采用短弧。
      
      2.3焊机及电源极性选择-500)施焊。打底及填充焊均采用反接法。
      
      2.4定位焊由于Monel合金在焯接时收缩量较大,故在定位焊时,应采取适3的方法来保证试件的根部间隙均匀一致;否则,随f施焊的进行,间隙将逐渐缩小,后焊部分容易产生未焊透和背面成形不良等缺陷。因此,组对焊缝时,需在后焊接部分增加适量的收缩余量,以保证有足够的间隙来保证焊透。
      
      2.5打底焊焊接电流的大小直接影响打底焊道的质量,Monel合金的打底焊,需要用较小的工艺参数。焊条使用前应进行250~350烘干,保温2h,打底电流为80-90A,焊接电压为2224V.焊接前应将定位焊点用砂轮机磨成斜坡形,以有利于接头处的熔合并保证焊透。焊完一根焊条后尽量不要用小锤敲击焊缝来清理焊渣,而宜用砂轮机对接头处进行磨削处理,以避免焊道受到震动而产生裂纹。
      
      2.6填充焊填充前应将前一层焊道上的熔渣清理干净,并做着色检查,确认无裂纹、气孔、夹渣等缺陷后,把电流加大到90~105A,电乐增加到23~25V,运条方法宜采用反月牙形,并在坡IJ两侧做适当的停留,进行填充焊接,以消除底层面留下的焊接死角。焊接时,应控制每层填充金属的厚度,每层填充金属的厚度不宜过厚,应为1.5 ~2mm.焊接时,应注意焊条的倾斜角度,以克服磁偏吹并使填充金属有足够的厚度,同时不要熔化焊道两侧的轮廓线,为盖面创造条件。填充焊接过程中,应严格控制每一层焊缝金属间的层间温度不大于601,必要时可以用浇水方法进行强制冷却。但当试件的温度降到100以下时,不宜再用浇水方法进行冷却,以防止焊缝金属吸附水蒸气而造成氏0气孔。
      
      2.7盖面焊盖面焊时,采用的焊接电流宜为100弧电压为22~24V,焊条倾角为35~65.,用正月牙法运条均匀前进,坡口两侧要充分予以熔合,要注意不要造成咬边。换焊条时,应用砂磨轮机将接头处打磨干净并带有一定的斜坡,以保证接头熔合良好。
      
      收弧时注意填满弧坑,并留以适当的加强高度。
      
      3焊后检验试件焊接完毕,须等试件充分冷却后,方可清除焊缝表面的焊渣及焊缝两侧的飞溅及杂质。经100%表面无损检验后对焊道进行ioo%x射线探伤,结果达到有关标准规定后,方可对试件进行机械加工,做破坏性试验,以检验试件的机械性能。
      
      4焊接注意事项焊接时要用小电流、短弧和尽量快的焊接速度;运条时焊条尽量不作横向摆动或只作摆幅不超过焊条直径两倍的横向摆动;多层焊时要严格控制层间温度,层间温度应控制在60*以下,焊完一道后,要待工件冷却至室温时再焊接下一层;为防止出现弧坑裂纹,断弧时要进行弧坑处理,用磨光机将接头清理干净,收弧时,一定要将弧坑填满或把弧坑引出;焊条在使用前要充分烘干,供干温度一般在250~350*,保温2h;焊接时应采用直流反接;严禁采用药皮剥落的焊条进行焊接。焊缝起弧和收弧时尽可能采用引弧板和收弧板。中国钢管信息港调查队获悉
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