异种钢角焊缝出现裂纹的原因及对策

前 言

某公司选矿炼铁厂炼前处置控制系统是锡矿砂炼前脱砷、硫主要体系，是铁是炉强化还原选矿的原料供应保证。冷却窑是炼前处置控制系统主要电子设备之一，各种高砷、硫电子零件经 过680~700℃的低温煅烧，煅烧后的锡矿砂须经冷却窑展开退烧处置。因为低温、冷却、扭力等各种不利因素共存，从而引致该窑自体钢沟槽经常再次出现裂缝，直至 锡矿砂以扁枝方式下漏泄漏，由于沟槽被锡矿砂以沉淀物方式环境污染，又参杂在自体钢沟槽处，引致该沟槽的焊补异常困难，乃至于屡焊屡裂，给当晚工作台自然环境和炼铁厂 安全生产造成极大所苦。历经多年的潜心研究和实践探索，找到了一种能有效解决该沟槽冲压难的方法。

1 沟槽情况

冷却窑从进口开始呈前细后粗的圆柱形，即前面几段宽度300mm、直径约1400mm机型为1Cr- 18Ni9Ti的莱氏体钢制（以下简称A）与后面几段宽度7400mm，直径约1600mm的普通A3（Q235）钢连接。煅烧电子零件通过坩埚水循环控制系统从 700℃ 以内降到200℃以内，为电子零件的运载提供便捷前提。因电子设备制造须要，冷却窑须要展开自体钢角冲压，但是受当晚自然环境的负面影响，沟槽容易再次出现裂缝。冷却窑体角焊 缝位置及局部放大如图1所示。

2 沟槽裂缝造成的其原因

2.1 沟槽自身负面影响

沟槽的致裂不利因素很多，包括：charged比不合适引致热裂缝、三种金属材料的电阻率和线电阻率差异太大引致的高形变状况、氢在三种合金中的溶解性相同引致的延后裂 纹、在不锈钢另一侧其它合金元素溶入，引致的合金延展性增加，脆性降低造成裂缝、低温冷却几段时间后，A钢制再次出现冲击延展性下降引致合金差排而再次出现裂缝、角沟槽 的形变集中常数高，烦躁裂缝的可能性增大、沟槽瑕疵特别是未焊透对A钢制的负面影响等。

这些致裂不利因素又可以概括为3类：

（1）A+A3的自体钢沟槽金属材料相同，即物理特性相同引致的脆、硬、高形变而再次出现裂缝；

（2）冲压技术和前提（比如坡口状况）引致裂缝；

（3）沟槽所处工作自然环境引致的裂缝和再热裂缝等。

2.2 生产自然环境负面影响

沟槽所处工作自然环境和电子设备本身的位置较为特殊，其生存自然环境异常恶劣，任务异常繁重。冷却窑体运行参数及自身金属材料情况如表1、表2所示。

从表中数据可以看出，窑体本身就是一个形变悬殊的运动体，因此沟槽的坡口制备对形变的负面影响十分明显。

角沟槽的形变集中度是所有沟槽中最大的, 采用合理的坡口制备，沟槽采用圆滑过渡方式, 对厚件削薄处置等都可以降低形变集中度。而对接沟槽是所有接头中形变集中度最小的。如果是大件配小件，厚件配薄件、制备不合理时, 形变集中度更高，形变损伤加大，在原沟槽上堆积焊条越密集、形变越大，对沟槽造成的负面影响越大。据资料证明，沟槽根部保证完全熔化, 能使角沟槽的烦躁强度提高3~13倍，对低碳合金钢的效果更加显著。

2.3 沟槽位置负面影响

沟槽原来的位置在750mm处，长期所苦的沟槽裂缝（当时裂缝可以达到30mm的宽度）反馈到制造商，制造商对新窑展开了工艺改进，把沟槽改到距入口处300mm的地方，明显延长了该沟槽的使用寿命。

如图2的相同设计方案比较，沟槽所处位置相同，效果大相同，所以合理的冲压接头位置决定沟槽的使用寿命。

2.4 冲压技术负面影响

角焊自体钢要开深坡口，力求将冲压瑕疵降到最低，据资料表明，形变负面影响的大小与瑕疵的种类、尺寸、方向和位置有关。片状瑕疵（如裂缝、未charged、未焊透）比 圆角的瑕疵（如气孔等）负面影响大。随着未焊透的增加，烦躁强度迅速下降，并且以1Cr18Ni9Ti莱氏体钢制的下降幅度为最大。

3 对应措施

根据自体钢角沟槽的组织、物理特性，有多种方法可以使内形变消减，如：沟槽获得双相组织；采用隔离层冲压；冷却减形变法；减稀释率；增加沟槽过渡区的圆滑过渡。

另外，还有沟槽四要求可以有效消减形变，即：①规避与角沟槽各种不相适宜的形状，如焊脚尺寸不宜过大；②结构细节应简洁；③减少结构拘束度；④沟槽布置尽量分散等。

冲压步骤及措施：

①焊条选用；②坡口制备；③提高冲压操作技能和责任心；④对沟槽展开改善性冲压。

3.1 焊条选用

选用A302焊条，因为该焊条能使沟槽合金呈现双相组织（双相组织能提高沟槽韧性，减少形变），克服裂缝的再次再次出现。

3.2 坡口制作

使用等离子切割焰对已裂原沟槽展开深度刮割。刮割手法是应用等离子切割弧外焰对沟槽以一层一层剥刮的手法剔除原焊脚和开坡口，坡口开成V型，最大 限度剔除沉淀物即锡矿砂等附着物，有利于找到裂缝源，这一环节非常重要，操作时可以采用立焊位置从上往下剥刮，只要焊工让开下坠铁水避免灼伤，这种方法 效率比较高。

3.3 提高冲压操作技能和责任心

由于沟槽本身开裂处外表严重程度不明显, 所以不开坡口直接冲压，最基本的冲压目的也不能达到，提高和加强个人操作技能及责任心, 了解坡口制备合理性是解决沟槽瑕疵的关键，无论制作新窑，还是后续沟槽的焊补，开坡口熔透焊都是解决裂缝沟槽的基础。

3.4 沟槽改善性冲压

制备改善性物件，即类角铁是杜绝沟槽继续开裂的关键，该物件不仅代替简单加强筋，避免高形变的再现，而且符合这段沟槽四要求, 能使沟槽平滑过渡，使焊脚尺寸不至于过大，使结构合理简洁，使沟槽布置尽量分散，相连间隔大，截面不易突然变化和发生三向形变，达到操作简单、经济适用、 效果良好的目的。

3.4.1 备料

选厚度4mm的A3钢板，切割裁成若干规格310mm×80mm；290mm×80mm的条子，中间开两个110mm×40mm的等距间隔的方形孔备用， 如图3所示。再把三种条子都用氧乙炔火焰加工成角铁状，如图4所示。这个类角铁是形变转移块，角沟槽的形变集中度被类角铁的使用减少了，代替了原来三角筋 容易使母材造成新的角焊裂缝，而类角铁的板厚有4mm，既使沟槽平滑过渡，同时也起到把加固沟槽的力的方向引向沟槽。

3.4.2 试验情况

（1）沟槽受力方向试验

选δ1.2mm的A3钢板两块，规格分别是300mm ×100mm的底板；260mm×80mm、方孔是100mm ×40mm的格子板（这个是类角铁的雏形）。用结422、Φ2.5焊条，电流为80A，把格子板平铺在底板上点固焊好后，沿内孔两长边满焊，不焊短边，焊 缝位置如图5所示，待冷却后再检测。冲压后类角铁受力及效果如图6所示。

从图中可以看出，受力点转移至沟槽中心, 即沟槽拉力使薄板金属材料受力向沟槽中心区集中, 说明这种焊法起到巩固沟槽的作用。

（2）再把三种条子都用氧乙炔火焰加工成角铁状，如图4所示。这个类角铁是形变转移块, 角沟槽的形变集中度被类角铁的使用减少了，代替了原来三角筋容易使母材造成新的角焊裂缝，而类角铁的板厚有4mm，既使沟槽平滑过渡，同时也起到把加固焊 缝的力的方向引向沟槽。

3.4.3 试验情况

（1）沟槽受力方向试验

选δ1.2mm的A3钢板两块，规格分别是300mm ×100mm的底板；260mm×80mm、方孔是100mm ×40mm的格子板（这个是类角铁的雏形）。用结422、Φ2.5mm焊条，电流为80A，把格子板平铺在底板上点固焊好后，沿内孔两长边满焊, 不焊短边，沟槽位置如图5所示，待冷却后再检测。冲压后类角铁受力及效果如图6所示。

从图中可以看出，受力点转移至沟槽中心, 即沟槽拉力使薄板金属材料受力向沟槽中心区集中, 说明这种焊法起到巩固沟槽的作用。

（2）侧筋受力强度试验

选δ12mmA3钢板，规格300mm×100mm一块；选3mm×25mm的A3钢扁铁，规格300mm长的两条，用Φ3.2mm铁丝与扁铁做成格子 板，如图7所示，把格子板平放在δ12mmA3钢板上，选用Φ3.2mm、结422焊条、电流110A，沿格子板内沿长边满焊（不焊铁丝短边），待冷却后 检测。

试验显示两条扁铁外沿有起挠角度，三根Φ3.2mm铁丝有变形，剪开铁丝中部发现，铁丝继续往中间挤挠，即两道沟槽的形变致使扁铁发生向中心挤压的拉力， 也证明格子板的侧筋的使用，足够抵御内向拉力的强度，使整个格子板起到一个改善沟槽的平衡体，不致再次出现新的裂缝。

从以上两个试验可以看出，类角铁的侧筋跟正面板材要达到一定的宽度，可以形成一个新的沟槽平衡体，不增加新的形变，有效的保护沟槽，如图7所示。

3.5 具体实施

3.5.1 实施过程

选用焊条A302，开合理V型坡口，遵循类角铁的冲压顺序。电流调到85~90A的较小区域，采用断弧立焊方式，不横向运条，敷焊一层过渡合金在A3钢的 坡面上，以减小沟槽的稀释率, 使沟槽尽可能呈A+F（F是铁素体）的双相组织（双相组织可以减少裂缝的发生），两道即可敷盖完毕。此时换A132钢制焊条（A132焊条是A钢制的 指定焊条，来源广，比较经济）, 小电流（85A）在立焊面以连续焊方式填完沟槽，一般三层即可填满。

3.5.2 操作要领

（1）在开坡口时，考虑操作性，应把裂缝面转到立焊位置，把V型坡口开成如图8所示形状，以利焊条深入。

（2）沟槽应认真填充，特别是熔敷过渡合金时，最底部的熔透是关键，既不能大电流，又要焊透，只能采取断弧立焊法，并且后面熔池只是敷盖前面熔池1/3处，如图9所示，温度不会太高, 药皮容易脱落，稀释率也不会超标（<40％）。

（3）沟槽是纯手工操作，全过程因人员技能差异，不能标准化工作台，冲压瑕疵是不可避免的，这些瑕疵都会成为下次的裂缝源，所以制备防裂防形变集中的类角铁以巩固沟槽的完备。

（4）选窑体立焊面，把前面备好的类角铁点固焊在已补沟槽正上方，再用氧乙炔火焰冷却锤贴在沟槽外围。完全点固焊牢类角铁后，分别以立焊位置焊长窑体这边 类角铁的内侧长边；以平焊位（即窑顶）焊短窑体类角铁内侧长边，在焊时可以与补焊的沟槽连接，这样的焊法可以采用连续焊，以提高冲压速度，达到经济合理， 沟槽简洁的效果。这个连续焊沟槽与原沟槽连接，横向运条到类角铁长边内沿，两层即可完毕，如图10所示。