复合钢板焊接接头断裂

复合钢板焊接接头头断裂分析摘要：分析了166MnR+4405复合钢板筒筒节纵向焊接接接头断裂的的原因，介绍绍了采取的改改进工艺措施施及其效果。

关键词：复复合钢板；断断裂；换热器器

某厂500万t/a常减压蒸馏馏装置中有20台换热器壳壳体材料选用用（16MnR＋405）复合钢板板制造。其基基层材料为16MnR，复层不锈钢钢为德国产405（相当于我我国的材料牌牌号0Cr133Al）。在该批批换热器的制制造过程中，先先后有4个筒节纵向向焊接接头断断裂，其中规规格为φ1200mmm×（16+3）mm的2节，φ800mmm×（22+3）mm和φ900mmm×（24+3）mm的各1节。断裂均均在基层焊接接完成后校圆圆时发生。文文中分析了断断裂原因，并并介绍了采取取的改进工艺艺措施及效果果。

一、材料化化学成分及力力学性能

基层与复层层材料的化学学成分见表1，其力学性性能：基层Rm=5550MPa，Rel=3325MPaa，0℃的冲击功AKA=331J；复层Rm=4550MPa，Rel=2250MPaa冲击功AKA=88J。二、断裂原因分析析

该批换热器器所用不锈钢钢复合钢板的的基层材料厚厚度分别为12mm、14mm、16mm、18mm、20mm、22mm、24mm及30mm共8个规格，复复层厚度均为为3mm。

不锈钢复合合钢板按文献献［1］BⅡ级要求，采采用爆炸复合合，质量等级级为Ⅱ级。制造时时筒节纵向焊焊接接头型式式及尺寸见图图1。2．1断口形貌

完全断断开的筒节见见图2。断开的最最大宽度为150mm，断开位置置绝大部分位位于将复合层层刨削后的坡坡口根部，只只有很少部分分断口位于母母材，可以看看出，裂纹已已扩展至母材材深处，这说说明在校圆过过程中产生了了很大的应力力，且材料的的的脆性较大大。图3为其断口形形貌，下端为为复层一侧，断断口光亮，呈呈现典型的穿穿晶（解理）脆脆性断裂特征征。从断口看看，其剪切唇唇的厚度约为为1mm（上端灰色色层）。经检检验，未断开开筒节的裂纹纹同样位于复复合层刨削后后的坡口根部部，裂纹长度度几乎与纵向向焊接接头长长度相等，其其外露断口特特征与图3相同。2．2硬度检验及化学成成分分析

经检验，母母材最高硬度度177HB，最低硬度136HB，材料的硬硬度值合格，因因此，可排除除母材含有硬硬脆相的可能能。

对其中1个断裂筒节节的基层取样样进行化学成成分分析，结结果见表2。与表1对照可知，其其化学成分与与供应值非常常接近，S、P含量也非常常低。2．3力学性能及金相检检验

对断裂的4个筒节各取1块试板制备备试样进行力力学性能检验验，结果见表表3。由于筒节断裂是在在基层焊接完完成后的校圆圆阶段发生，当当时20台换热器的的筒节全部卷卷制完成。因因此，进一步步的检验只能能在筒体两端端的开孔位置置取样，筒体体上开孔的最最大直径为φ250mm，故无法进进行完整的力力学性能试验验。取样前重重新调整排版版图，以便对对不同的材料料检号取样。

按不同材料料检号及规格格，共进行了了18组试样的冲冲击试验。结结果表明，与与断裂的2个筒节具有有相同材料检检号的另外4个筒节的冲冲击功全不合合格，单值最最高为42J，最低为17J。18组试验中有10组合格，8组不合格，其其中数量最大大的（16+3）mm和（12+3）mm两批钢板试试样的冲击功功有合格的也也有不合格的的。此外，对对厚度为（16+3）mm和（24+3）mm复合钢板在在不同部位取取样做冲击试试验发现，同同一张钢板板板头位置试样样的横向平均均冲击功几乎乎是板中间部部位试样的3倍。对同一一部位的纵、横横向冲击韧性性进行比较试试验，结果表表明，纵向平平均冲击功大大约比横向平平均冲击功高高1倍。

从断裂的筒筒节上取样进进行金相检验验，基层16MnR的金相组织织除带状组织织明显外，未未见其它异常常，晶粒度为为8级。冲击试试样的金相组组织观察表明明，其珠光体体呈网状分布布，这说明母母体组织不均均匀，表现为为冲击功相差差较大（表3）。在扫描描电镜下观测测到的断口形形貌见图4和图5。从断口的低倍形貌貌可以看出，裂裂纹起源于图图4中的右侧表表面，即复层层刨削后的坡坡口根部位置置。从图"中也可看到到这一点，且且裂纹起始阶阶段有明显的的撕裂现象，其其微观形貌为为韧窝特征。其其它区域主要要为裂纹的快快速扩展区，其其微观形貌为为解理特征，宏宏观上表现为为如图3中的光亮区区域。

能谱分析结结果也表明，裂裂纹起源于复复层，扩展过过程中又从复复层穿入基层层，最终导致致断裂。

2．4制造工艺

对制造过程程的调查分析析认为：①筒节校圆时时复层尚未焊焊接，制造工工艺要求复层层施焊前应将将基层坡口两两侧大于等于于10mm范围内的复复层完全剔除除，但在实际际加工过程中中，由于各方方面的原因，剔剔除深度总是是很难达到要要求，一般小小于3mm，最小的不不足2mm。剔除宽度度也往往达不不到要求，一一般为4~7mm，该宽度正正好处于埋弧弧焊的焊接热热影响区，这这一区域组织织粗大，性能能较差。此外外，由于复层层剔除深度和和宽度不够，导导致局部结构构尺寸变化大大，使坡口根根部存在应力力集中，电镜镜观察结果也也证明了这一一点。②施焊时的环环境温度控制制不严，可能能使材料产生生脆性。

综上所述，复复合钢板断裂裂的主要原因因是：①材料不合格格。分析认为为，冲击功不不合格与钢板板爆炸复合后后的热处理工工艺以及执行行热处理工艺艺过程中出现现的某些偏差差有关，如恒恒温温度或冷冷却速度不均均匀等，表现现为其金相组组织不均匀，有有的区域珠光光体呈正常的的块状分布，而而有的区域珠珠光体则呈网网状分布。相相对于铁素体体，珠光体相相的塑性韧性性较低，若其其连成网状，则则会降低母材材组织的冲击击韧性。②校圆时复层层未焊，复层层剔除深度和和宽度不够，坡坡口根部存在在应力集中。③施焊时的环境温度较低，增加了材料的脆断敏感性。

三、改进措施及效果

通常情况下，不合格的材料将被判报废。由于该批材料不合格的主要原因是爆炸复合后的热处理工艺及其热处理过程不当，其力学性能中仅0℃冲击功不合格，金相组织观察也未发现过烧等组织缺陷，因此，采用重新进行热处理的办法恢复其组织与性能。

正火是将材料重新加热到完全奥氏体化后空冷的热处理工艺，热处理后可获得新的先共析铁素体和珠光体组织，能切断材料原有组织的遗传性，消除原材料中的粗大组织。为此，进行了正火热处理试验。试验结果表明，采用正火热处理极大地改善了材料的冲击韧性，其各项性能均满足标准要求。

为使正火热处理不降低405复层的耐腐蚀性能，在恒温后的冷却过程中，可使其快速通过敏化温度区间。由于复层材料405中碳元素的质量分数最高为0.037%，因此，在整个正火过程中，复层不发生相变，其组织性能也不会发生太大的变化。

根据试验结果，对所有进行冲击试验不合格的筒节以及无法进行检验的筒节均进行了正火热处理，正火热处理的工艺参数曲线见图6。考虑到在正火热处处理试验后，材材料的抗拉强强度已达到标标准要求的最最低抗拉强度度。因此，在在制定热处理理工艺时，将将恒温阶段的的温度降低了了15℃，以确保材材料的强度符符合标准要求求。

对换热器筒筒节的正火处处理共进行了了4炉，每炉带2块母材试板板，试板从断断裂的筒节上上切取。根据据由随炉试板板制备的试样样所做的冲击击试验结果，经经正火处理后后筒节材料的的冲击功提高高了2～5倍，取得了了良好的效果果。

四、结语

按以上措施施处理后的筒筒节，在校圆圆过程中未发发生断裂或开开裂现象。该该20台换热器已已如期在现场场安装并投产产，运行半年年来，