張祥敏 楊榮山

（錦西工業(yè)學(xué)校)

0 前言

陽極爐是銅冶煉重要設(shè)備，爐子本體為鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)部砌筑耐火材料。由于爐子經(jīng)常轉(zhuǎn)動(dòng)傾倒，出銅、放渣，溫差變化較大，受急冷急熱影響，易產(chǎn)生變形、滲漏等情況。因此，需要對(duì)陽極爐爐口不定期進(jìn)行更換及檢修。在設(shè)備檢修過程中，冬季外部施工的情況越來越多,出現(xiàn)了一些因低溫環(huán)境焊接引起裂紋的情況，因此研究低溫環(huán)境下焊接裂紋問題是非常必要的。

本文結(jié)合葫蘆島鋅廠東方銅業(yè)有限公司陽極爐爐口與爐體對(duì)接焊縫出現(xiàn)焊接裂紋這一情況，詳細(xì)分析了低溫環(huán)境下焊接導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的各種因素，并從施工規(guī)范、預(yù)熱溫度、焊后保溫等方面采取了質(zhì)量控制措施，從而防止了焊接裂紋的產(chǎn)生，保證了低溫環(huán)境下的焊接檢修質(zhì)量。陽極爐爐口結(jié)構(gòu)如圖1所示 （焊縫高度12 mm）。

圖1 陽極爐爐口結(jié)構(gòu)

1 焊接工藝參數(shù)

焊接施工主要的物理參數(shù)和環(huán)境參數(shù)如下：

（1） 板厚： δ=20 mm。

（2） 材質(zhì)： 16Mn (C:0.15；Mn:1.42；Si:0.50；P:0.016； S:0.022)。

（3）接頭型式：V型坡口角接 （嵌入式）。

（4） 環(huán)境溫度： -12～-10 ℃。

（5）風(fēng)力：偏北風(fēng)4～5級(jí)。

焊接施工采用的焊接方法、焊材及規(guī)格如下所示：

（1）手工電弧焊。 （2）直流電焊機(jī)。 （3）焊接電流180 A。 （4）焊條規(guī)格及材質(zhì)覫5、結(jié)507。

2 出現(xiàn)的問題

本次檢修更換的爐口材料為 16Mn鋼 （Q345鋼），是屈服強(qiáng)度大于350 MPa的普通低合金鋼。Q345鋼含有一定的合金元素，碳當(dāng)量值為0.39%，具有一定的淬硬傾向，一般情況下不采取預(yù)熱措施，采用堿性低氫型焊條即可保證焊接質(zhì)量。但在此次檢修過程中發(fā)現(xiàn)，爐口與爐體對(duì)接焊縫中出現(xiàn)了縱向裂紋（見圖1）。

3 裂紋產(chǎn)生的原因

首先分析判斷焊接出現(xiàn)的裂紋屬于哪種裂紋。由于陽極爐爐口的焊接是在低溫下進(jìn)行的 （環(huán)境溫度-12～-10℃），板材較厚，有一定淬硬性和熱應(yīng)變脆化傾向。裂紋產(chǎn)生的部位是在焊縫中間且為縱向裂紋，斷口有光澤。根據(jù)當(dāng)時(shí)的焊接條件、工藝操作及焊接材料等分析，初步判斷為焊接冷裂紋。

當(dāng)氣溫較低或板厚較大時(shí),焊接16Mn鋼若不采取適當(dāng)?shù)念A(yù)熱措施或焊接工藝不當(dāng)，就可能會(huì)產(chǎn)生冷裂紋。通常，產(chǎn)生冷裂紋的原因主要有以下幾項(xiàng)。

（1）擴(kuò)散氫的作用

在焊縫中隨著擴(kuò)散氫含量的提高，冷裂紋數(shù)增加，而且擴(kuò)散氫還影響冷裂紋延時(shí)的長短。一般氫的來源主要是焊接材料中的水分、焊接區(qū)域的油污、鐵銹、水以及大氣中的水汽等。這些水或有機(jī)物經(jīng)電弧高溫作用分解出氫原子進(jìn)入熔池中，并在焊縫中呈過飽和狀態(tài)，形成對(duì)冷裂紋起主要作用的擴(kuò)散氫。擴(kuò)散氫含量越高，產(chǎn)生裂紋的幾率越大。

此焊縫使用的是堿性焊條，因?yàn)槭菣z修，焊工沒有重視，在焊接之前沒有對(duì)焊條進(jìn)行嚴(yán)格烘干和保溫，對(duì)焊縫兩側(cè)清理也不徹底，所以擴(kuò)散氫的作用可能是產(chǎn)生裂紋的原因之一。

（2）接頭淬硬組織的影響

熱影響區(qū)馬氏體組織數(shù)量越多，越容易產(chǎn)生裂紋。無論焊縫的表面、斷面或根部，裂紋生成率均隨冷卻速度的增大和馬氏體數(shù)量的增多而增大。

該構(gòu)件材質(zhì)為16Mn鋼，是典型的熱軋鋼，其淬硬傾向比低碳鋼大。一般在低溫下焊接或在大剛度、大厚度結(jié)構(gòu)上焊接時(shí)，為防止冷裂紋的出現(xiàn)均應(yīng)采取焊前預(yù)熱的措施。此焊縫當(dāng)時(shí)焊接的環(huán)境溫度較低，大約-12～-10℃，焊工在沒有預(yù)熱的情況下焊接 （按照規(guī)范要求在攝氏0℃以下焊接應(yīng)采取保溫措施），使得16 Mn鋼在連續(xù)冷卻時(shí)珠光體的轉(zhuǎn)變大大往后推遲，在快速冷卻過程中鐵素體析出后剩下的富碳奧氏體來不及轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，最后轉(zhuǎn)變?yōu)楹驾^多的馬氏體。此外，該構(gòu)件比較厚，結(jié)構(gòu)剛性較大，所以接頭的淬硬傾向較大、韌性低，這可能也是其產(chǎn)生冷裂紋的原因。

（3）焊接接頭拘束應(yīng)力的影響

焊接接頭的應(yīng)力在形成冷裂紋過程中起著決定性的作用。焊接件的局部加熱，會(huì)在焊接件上產(chǎn)生不均勻的溫度場，使材料產(chǎn)生不均勻膨脹。處于高溫區(qū)的材料受到周圍溫度較低、膨脹量較小的材料的限制而不能自由地膨脹，即焊接件內(nèi)出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力，高溫區(qū)的材料受到擠壓，產(chǎn)生局部壓縮性應(yīng)變。在冷卻過程中，經(jīng)受壓縮性應(yīng)變的材料，由于不能自由收縮而受到拉伸，于是焊件中又出現(xiàn)了一個(gè)與焊件加熱方向大致相反的內(nèi)應(yīng)力場。另外，由于構(gòu)件受到焊接熱循環(huán)的作用，使焊縫金屬的內(nèi)部組織發(fā)生了不同的變化，產(chǎn)生相變應(yīng)力。除以上兩種原因之外，如果焊件被剛性固定或焊件之間相互牽制，也會(huì)在焊接件中產(chǎn)生焊接應(yīng)力。

由于爐口與爐體為嵌入式的角接結(jié)構(gòu) （長方形爐口2000 mm×1500 mm，為預(yù)制品），焊接時(shí)焊縫之間受到的相互牽制作用較大，所以焊接時(shí)產(chǎn)生較大的拘束度。由于焊接時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和相變產(chǎn)生的組織應(yīng)力的作用，再加上沒有采取松弛應(yīng)力的措施，致使應(yīng)力過大處產(chǎn)生裂紋。由此可以推斷這也是其產(chǎn)生裂紋的原因。

此外，焊接線能量過小、焊接速度過快等焊接參數(shù)選擇不當(dāng)也可能是出現(xiàn)裂紋的原因。

4 防止焊接裂紋的措施

對(duì)冷裂紋的出現(xiàn)，必須采取切實(shí)可行的措施來解決。通?？刹扇∫韵乱恍┐胧?/p>

（1）減少氫的來源，焊條要烘干，要對(duì)坡口進(jìn)行處理等。

焊條按工藝要求在350～400℃溫度下烘干，且烘干時(shí)長為2 h，烘干后放在 100～150℃保溫筒內(nèi)，隨用隨取。焊前對(duì)坡口兩側(cè)清理打磨干凈，盡量做到無油、無銹、無水。

（2）避免產(chǎn)生淬硬組織，焊前預(yù)熱、焊后緩冷，降低焊后冷卻速度，以減少馬氏體組織的產(chǎn)生。

因在冬季檢修，環(huán)境溫度低，所以搭設(shè)保溫棚，以保證施焊時(shí)的環(huán)境溫度。此外，焊前必須預(yù)熱至100～150℃，焊接過程中必須控制層間溫度≤400℃，以確保焊接質(zhì)量。

（3）采用合理的焊接工藝以降低焊接應(yīng)力，還可采取焊后熱處理等措施來消除焊接應(yīng)力。

焊后消除應(yīng)力熱處理溫度為600～650℃，保溫時(shí)間2.5 min/mm。焊后還可采取一定的松弛應(yīng)力措施，如用小錘錘擊坡口及焊道兩側(cè)。

（4）在焊接過程中要很好地控制熱輸出，以減少焊接部位的滲碳、減輕淬硬。盡量使焊接線能量大一些 （I=210～240 A）、 焊速慢一些。

（5）焊后滲油檢驗(yàn)。

5 結(jié)語

在冬季檢修施工時(shí)，陽極爐爐口焊縫出現(xiàn)了裂紋。我們從分析裂紋產(chǎn)生的原因入手，在實(shí)踐中總結(jié)出采取控制擴(kuò)散氫的來源、焊前預(yù)熱、焊后后熱以及控制焊接熱輸入等措施，解決了焊接裂紋的問題。經(jīng)過檢驗(yàn)，采取這些措施后得到的焊縫完全合格，從而陽極爐爐口的檢修工作得以圓滿完成。