液化石油气钢瓶筒体纵缝焊接终端裂纹的控制

材料的局限性，容易产生气孔、夹渣等质量缺陷，近年逐渐被气体保护焊接取代，气体保护焊接具有焊接效率高、稳定性强等优点，焊接方法的改变，焊接工艺需要进一步的探索，以往很多文献和资料，介绍的都是采用埋弧自动焊工艺时如何防止筒体纵焊缝终端裂纹，关于气体保护焊焊接筒体纵缝工艺基本空白，本文通过分析和试验，制定采用气体保护焊工艺情况下，如何防止纵焊缝终端裂纹的工艺。

2.1 终端裂纹。终端裂纹是指筒体纵焊缝焊接接头的终端安装熄弧板，焊接末段，在熄弧板进行弧坑处理完成后，在接头终端附近焊缝中心部位发生的纵向裂纹。

2.2 裂纹特点。裂纹全部出现于焊缝终端并延伸至引弧板，经X射线检测，裂纹长度为30-60mm，去除引弧板后，终端裂纹长度为10-40mm，裂纹沿焊接方向发生于焊缝中间部位，显微观察裂纹边缘呈现表面氧化而导致颜色变黑，证明裂纹出现在亚固相温度区间，也就是焊缝熔池由液态转变成固态时高温结晶而成。

3 裂纹原因分析

3.1 裂纹的形成机理。焊缝金属的结晶不是瞬时完成的，而是一个在液态金属中不断形成和长大的过程。焊缝金属结晶与温度联系较为紧密。当液态金属的温度逐渐下降至与固相线相重合时，焊缝金属即开始结晶，并持续进行一段时间。在结晶时，焊缝金属的温度会不断降低，同时其形态也会出现一系列变化，焊缝金属先变为液态，再变为液固混合态、固液混合态，最终成为固态，至此整个结晶过程结束。在上述四个变化阶段中，有一段时间内焊缝的塑性降至最低值，在这温度区间内固体结晶所占比例较大，而尚未完全结晶的液态金属零散分布于已结晶的固态结晶体之间。在此情况下，金属体受自身拉力作用，加之其本身抗变形较弱，容易导致其变形集中产生于液态薄膜部分，导致晶体在界线位置出现裂缝。

3.2 影响裂纹的因素。根据裂纹产生的机理分析可以知道，影响裂纹的本质因素有两大类，即冶金因素和应力因素。冶金因素主要是焊缝金属中硫、磷和碳的含量以及熔合比，应力因素包括焊接应力的控制以及焊接前内应力的控制。

3.3 材料分析。筒体钢板材料为HP295专用焊瓶钢，焊丝牌号ER50-6经化验化学成分如下：

根据碳当量计算公式C当量=[C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15]*100% 计算碳当量值为0.25%，可见焊接裂纹倾向性小，焊接性好。拉伸、弯曲力学性能试验合格，焊丝牌号为ER50-6，经检验化学成分符合国家标准要求。因此，筒体母材、焊接材料的选择不是导致裂纹产生的原因。

3.4 应力分析。筒体纵焊缝的焊接主要有两方面的应力：一是筒体卷圆时的加工应力，筒体由长方形钢板经过卷圆机卷制而成，受到加工精度的影响，定位焊时，存在强制组装现象，导致在定位焊道存在较大的拉伸应力和剪切应力。二是焊接时产生的焊接应力。焊接时焊件受到不均匀加热并使焊缝区熔化，焊缝及热影响区钢板热膨胀受到周围冷态材料的制约，产生不均匀的压缩塑性变形。冷却过程中，熔池凝固，焊缝金属收缩也因为制约而产生收缩拉应力和变形。筒体越长，焊接越接近终端时，各种应力叠加使得终端的定位焊焊道应力增加值迅速增大。在应力作用下，熔池金属发生塑性变形，就沿晶界发生开裂，产生裂纹缺陷。

3.5 焊接热输入分析。在进行焊接时，由于气体保护焊接法的热输入量较大，其熔深和熔敷金属量都相应增大，同时其熔池的凝固速度和寒风冷却速度也随之变缓。这就导致焊接时晶粒颗粒偏粗，同时出现偏析情况，大大增加了出现热裂纹的可能性。另外，由于焊缝在横向的收缩度远远小于其焊接间隙的张开度，因此终端部位承受的横向拉伸力也相应增大。

3.6 熄弧板作用和影响。在焊接时，焊缝终端熄弧板具有极其重要的作用，主要表现在：一是保证了焊缝顺利成形，它有效地调节和控制了焊接进度，只有当熔池尾部运行至熄弧板位置时整个焊接活动才会停止。二是起到了焊接拘束的作用。在加热时，只有当最后一个定位焊点温度达到最高值时，其所受拘束力才会充分释放，这就使得焊缝在水平和垂直方向都出现了一定程度的变形，导致筒体在卷圆时的温度承受力发生变化。此时，终端定位焊道已完全熔化，从而减弱焊缝周围的拘束力，造成焊缝强度不足出现裂缝。

4 预防和减少终端裂纹产生的具体措施

4.1 提高卷圆加工精度。卷圆后，筒体间隙控制在0-10mm。为减少组装后的应力，技术人员应根据实际需要适当增加定位焊点。同时，为确保纵缝端部位的灵活性，还应适当控制其焊缝长度，使其长度在50mm及以上，并保证焊缝厚度适宜，不存在质量缺陷。

4.2 适当地加大熄弧板的尺寸。熄弧板必须有足够的尺寸，厚度宜与焊件相同，采用气体保护焊接工艺时，熄弧板长度适当增加20mm。

4.3 严格掌握焊接过程中的热量输入。在焊接时，技术人员要严格掌握整个筒体焊接过程中的热量输入，这一方面有利于保证焊头化学性能的充分发挥，另一方面还可以起到防止裂纹的重要作用。一般地，在焊接过程中，系统焊接电流与焊接热量输入有直接关系。因此，技术人员必须严格控制焊接过程中的热量输入值，以保证整项焊接工作的安全性和稳定性。

4.4 根据需要调整熔池形状，及时把控焊缝形成系数值。除热量输入值之外，熔池形状和焊缝的形成系数值也与焊缝的产生具有直接关系。因此，技术人员还要在焊接时，根据实际需要及时调整熔池形状，并严格掌控其焊缝的形成系数，以防止裂纹的产生，影响筒体使用寿命。

5 试验及结果分析

5.1 筒体焊接时分别采用不同的组装工艺和焊接工艺进行焊接，结果如下：

5.2 统计结果分析：采取预防措施，减小卷圆时的加工应力，增加熄弧板长度，提高定位焊质量，焊接时采用降低电流和电压，减少热输入，可有效防止终端裂纹的出现。

6 结论

液化石油气钢瓶筒体纵焊缝的终端裂纹一直是常见的质量缺陷，多年来一直没有得到很好的解决，尤其是采用气体保护焊代替以往埋弧自动焊焊接方法以来，终端裂纹出现比例进一步增大，本文通过分析和焊接试验，找到了导致终端裂纹的主要原因是应力和温度场二者共同作用的结果，实践证明，通过改进生产工艺，减小焊接过程中的应力影响，适当加大熄弧板长度，严格控制焊接热能量的输入，就能有效防止终端裂纹的出现。

参考文献：

[1]方洪渊.焊接结构学[M].北京：机械工业出版社，2008.4.

[2]刘会杰.焊接冶金与焊接性[M].北京：机械工业出版社，2007.3.

[3]朱锡山，龚华，华金德，胡述超，王业民，徐承尧.简述钢筒体纵缝斜角超声波探伤[J].焊接技术，2012（11）.

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