管板與殼體連接焊接接頭失效原因分析
摘 要：通過(guò)對(duì)焊接接頭性能影響因素的分析和實(shí)驗(yàn)，調(diào)整相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和焊接工藝參數(shù)，防止焊接接頭缺陷的產(chǎn)生，提高接頭機(jī)械性能，從而提高產(chǎn)品的使用壽命，減少損失，節(jié)約了材料。
關(guān)鍵詞：焊接接頭；失效分析；結(jié)構(gòu)因素
熱交換器產(chǎn)品中的固定式不帶法蘭的管板與殼體的連接焊接接頭是產(chǎn)品上的主要焊接接頭，制造過(guò)程中焊接接頭內(nèi)部組織的缺陷，如夾渣、氣孔、未熔合、未焊透、裂紋以及組織粗大等，將影響焊接接頭的機(jī)械性能，也影響產(chǎn)品使用的可靠性，給使用單位帶來(lái)不必要的經(jīng)濟(jì)損失，是個(gè)不可忽視的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)焊接接頭性能影響因素的分析和實(shí)驗(yàn)，調(diào)整相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和焊接工藝參數(shù)，防止焊接接頭缺陷的產(chǎn)生，提高接頭機(jī)械性能，從而提高產(chǎn)品的使用壽命，減少損失，節(jié)約了材料。
1 問(wèn)題的提出
在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，焊接結(jié)構(gòu)參數(shù)、焊接工藝參數(shù)、焊接前的準(zhǔn)備和操作方法等因素都會(huì)影響焊接接頭的質(zhì)量，在焊接時(shí)就要通過(guò)控制相關(guān)技術(shù)參數(shù)來(lái)控制焊接接頭內(nèi)部質(zhì)量，盡可能提高焊接接頭的機(jī)械性能。在諸多技術(shù)因素中以結(jié)構(gòu)參數(shù)和焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭質(zhì)量影響最大，為此，坡口尺寸變化對(duì)焊接接頭質(zhì)量的影響及焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭質(zhì)量的影響是本課題的主要內(nèi)容。
通過(guò)研究不同尺寸的坡口用相同焊接工藝參數(shù)下焊成的接頭在焊接接頭組織、機(jī)械性能、焊接應(yīng)力分布的變化；比較對(duì)焊接接頭質(zhì)量影響最小的結(jié)構(gòu)尺寸，選出最優(yōu)技術(shù)參數(shù)。
2 坡口尺寸的確定
產(chǎn)品的設(shè)計(jì)坡口尺寸，其中，管板車邊尺寸為0.25δ,與殼體組對(duì)后坡口間隙為0.4δ1，具體根據(jù)不同的板厚在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中有明確的規(guī)定。
本課題根據(jù)中生產(chǎn)單位的實(shí)際情況，δ和δ1的取值如表1。根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，按《鋼制壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定，可以分別計(jì)算出管板車邊尺寸和坡口間隙尺寸，也列于表1中。
在本次試驗(yàn)中，為了減少工作量，試件的坡口組對(duì)成大小端，最大值取6mm，最小值取1mm。雖然該值與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求有出入，但符合焊接工藝中保證焊接接頭質(zhì)量的有關(guān)要求，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的正確性影響不明顯。
3 模擬試驗(yàn)與檢測(cè)
為保證結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)焊接接頭的組織、應(yīng)力和機(jī)械性能等方面影響的試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，在焊接過(guò)程中，要求焊接工藝參數(shù)保持不變。
本試驗(yàn)的試件結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品實(shí)際使用的結(jié)構(gòu)相近。對(duì)焊接接頭的檢測(cè)主要包括焊接接頭熱影響區(qū)應(yīng)力值、機(jī)械性能測(cè)試和熱影響區(qū)組織分析。
3.1應(yīng)力測(cè)試
應(yīng)力測(cè)試時(shí)采用了應(yīng)力釋放法。
通過(guò)焊接接頭區(qū)或焊接熱影響區(qū)某點(diǎn)處的應(yīng)變量測(cè)試，計(jì)算出該點(diǎn)的應(yīng)力值。用此法檢測(cè)比較簡(jiǎn)單，所需測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)便。雖然數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，但同一試件測(cè)試的數(shù)據(jù)有對(duì)比性，對(duì)本課題來(lái)說(shuō)完全符合要求。
測(cè)試時(shí)，為使焊接熱影響區(qū)的應(yīng)力相對(duì)準(zhǔn)確且有對(duì)比性，試驗(yàn)時(shí)選焊接接頭焊趾兩側(cè)5mm處平行于焊接接頭中心線的直線上作為測(cè)試焊接應(yīng)力的位置，并以5mm的間距為一測(cè)試點(diǎn)，兩側(cè)兩端各測(cè)6點(diǎn)。
3.2機(jī)械性能測(cè)試
應(yīng)力測(cè)試后的試件用機(jī)械加工的方法加工成拉伸試樣，測(cè)試其機(jī)械性能。
4 數(shù)據(jù)分析
4.1測(cè)試點(diǎn)應(yīng)力與焊接接頭距離的關(guān)系
以上數(shù)據(jù)表明，離焊接接頭不同的距離的各點(diǎn)間的應(yīng)力是不同的。離熔合線越近，應(yīng)力值越大；離熔合線越遠(yuǎn)，應(yīng)力值越小。表明高溫區(qū)更易產(chǎn)生較高的應(yīng)力。
4.2坡口間距對(duì)應(yīng)力的影響
坡口間距對(duì)應(yīng)的影響也較為明顯，從表中可以看出，坡口間距越大，應(yīng)力值也有明顯的增大，最大間隙處應(yīng)力值（為最小間隙處應(yīng)力值的3.5倍左右）。從理論上分析，坡口越大，需填充的金屬越多，焊接時(shí)熱作用時(shí)間越長(zhǎng)，溫度也越高，因而產(chǎn)生更大的應(yīng)力。
4.3坡口間距對(duì)機(jī)械性能的影響
可以看出，坡口間距對(duì)機(jī)械性能的影響較小，但坡口間距對(duì)缺陷有較大的影響。兩個(gè)試樣都做了宏觀金相檢查，坡口間距越小，未焊透缺陷傾向增加。所以，坡口間距間接地影響了焊接接頭的強(qiáng)度，降低疲勞強(qiáng)度。
5 金相分析
在相應(yīng)的最大坡口端和最小坡口端，分別取試樣進(jìn)行金相分析，對(duì)比母材金相，組織變化差異很小。可見(jiàn)，因所用材料為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼（管板和筒體材料都選用了Q235-B），這類材料的組織在加熱時(shí)，長(zhǎng)大傾向并不明顯。可以認(rèn)為，坡口間距對(duì)焊接接頭及熱影響區(qū)金屬組織的影響是不大的。或者說(shuō)，因焊接接頭及熱影響區(qū)金屬組織所引起的焊接接頭失效現(xiàn)象的因素要比焊接缺陷和應(yīng)力變化所產(chǎn)生的影響小得多。
6 結(jié)論
通過(guò)以上分析，造成管板與殼體連接焊接接頭失效的重要因素中，坡口尺寸大小是其中之一。因?yàn)槠驴诔叽绱笮?duì)焊接接頭內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生及熱影響區(qū)的焊接殘余應(yīng)力大小有著重大的影響，坡口越大，焊接缺陷產(chǎn)生的可能性增加，焊接殘余應(yīng)力增加。在焊接實(shí)踐中，可以通過(guò)選擇合適的坡口尺寸，配以合理的焊接工藝參數(shù)，盡可能降低焊接接頭及熱影響區(qū)的焊接殘余應(yīng)力，則可以減少此類失效現(xiàn)象的發(fā)生，從而減小生產(chǎn)中的經(jīng)濟(jì)損失。
參考文獻(xiàn)
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