采用宏观分析方法确定某焊接结构所出现裂纹的性质是工程上采用最多的方法。所谓宏观分析,主要是采用放大镜、低倍金相显微镜、荧光、磁粉、超声波等检测手段,根据材质和焊接材料的化学成分、焊接工艺和产品结构的运行工况条件,对已出现的裂纹进行定性的分析与判断。宏观分析作为一种初步的、基本的分析方法是不可缺少的。通过它可以粗略地判断裂纹源位置及裂纹的性质;对于长裂纹还可以缩小需要深入进行微观分析的范围。
1.宏观分析的依据
(1)由化学成分判断 化学成分对裂纹的影响是最基本的内在因素。根据某钢种的化学成分,可以大致判断产生裂纹的可能性。例如,对于一般低合金钢母材和焊缝来讲,S、P、C含量偏高时,就有可能产生热裂纹、冷裂纹,甚至应力集中部位经再热处理时还可能产生再热裂纹;若S、P、O较多还能产生层状撕裂。因此,根据C、S、P、O的含量就可以大致判断产生裂纹的成分条件。而根据各种碳当量公式及裂纹敏感性指数经验公式可以对产生裂纹的可能性进行判断,这部分属于焊接性研究的内容,将在下一章中详细介绍。
(2)根据焊接工艺判断 如果在钢种和焊接材料化学成分正常的情况下,出现裂纹的重要原因之一就是施工时焊接工艺不当或违反某些施工规程。例如焊接质量失控、强制组装、预热温度偏低、焊缝表面成形不佳、咬边严重,而内部就有可能存在夹杂、气孔甚至裂纹。
另外,焊接位置、焊接顺序和焊接热输入等也都可以作为判断裂纹性质的参考。例如,焊接位置和施焊顺序不当,往往会产生较大的残余应力,焊接热输入过大或过小,都有可能产生热裂纹或冷裂纹,以至于产生层状撕裂。复合钢板焊接时,焊接材料选择不当会导致焊接裂纹的产生或接头力学性能不合格。
(3)根据工况条件判断 产品结构的服役环境和运行过程中的操作管理,常常是分析裂纹产生原因和判断裂纹性质的重要依据之一。
环境有腐蚀介质,常使焊接结构产生应力腐蚀裂纹,应考虑焊接结构的材质是否对该腐蚀介质敏感。对于化工设备中的压力容器与管道的应力腐蚀裂纹,最常见的是奥氏体不锈钢的酸、碱应力腐蚀和低、中合金钢的H2S应力腐蚀。长期在气田、油田、海滨和化工区等地带服役的焊接结构都有产生应力腐蚀裂纹的可能。例如,很多液化石油气球罐,由于H2 S的含量没有进行严格的限制,有的高达0.3%~1%(质量分数),造成了严重的应力腐蚀裂纹。
在高温高压下长期使用的焊接结构,有可能产生再热裂纹和蠕变疲劳裂纹等,如果配合其他检测手段(如显微组织分析),很容易确定裂纹的性质。
在低温下使用的焊接结构,容易在原有的裂纹处发生脆性破坏。
此外,在动载、疲劳和射线辐照等条件下工作的结构,多半是使原有的裂纹加速扩展。
关于运行过程中的操作和管理也是属于分析裂纹性质的内容之一。例如,某石化总厂由于误将容器的出口阀关闭,进入高压气体,使容器内的气体密度不断增大,压力不断增高,致使该容器发生破裂,经检验是属于冷裂纹起源的撕裂性破坏。(www.xing528.com)
2.宏观分析的方法
(1)肉眼观察 焊接技术人员及操作者所发现的焊接裂纹,首先是肉眼看到的焊道上的纵向或横向开裂。对于靠近熔合区的开裂或焊趾、焊根、焊接接头等位置,都要细致观察,当肉眼观察有困难时应当用放大镜观察。记录下肉眼宏观看到的裂纹长度、部位及裂纹数量。
用肉眼观察或放大镜检查之后,能把焊接裂纹试样的取样位置确定下来。切取焊接裂纹金相试样时,应考虑最能暴露焊接裂纹的整个形态,还应考虑便于分析焊接裂纹的裂纹源及焊接裂纹的完整性等。
(2)抛光检查 在宏观肉眼观察之后,在焊接接头的某个断面上应当抛光检查焊接裂纹的形态。在接头断面上抛光检查能全面暴露出裂纹本身的形态,表现出裂纹形貌是否有分支,是相互连接的还是断续的,裂纹边缘是弯曲的还是平直的,裂纹是否沿着与应力垂直的方向扩展,判断裂纹源的位置等。在抛光面上可以清晰地显示裂纹的形态,不致因为浸蚀显示后形成的各种条纹掩盖而影响对焊接裂纹观察的准确性。
(3)低倍金相分析 焊接接头中的微裂纹有时用肉眼和放大镜看不清楚,但在低倍金相显微镜下能明显观察到裂纹的产生部位及扩展方向。
焊接裂纹的宏观分析主要是记录裂纹在试件或工件上产生的部位。如插销试样分析焊接裂纹时,只需要把试样横断面解剖、磨光后即可观察,不需要浸蚀就可以在抛光后的表面上清晰地显现出裂纹的起止部位及裂纹走向。
3.焊接裂纹宏观特征
(1)裂纹产生的位置 焊接裂纹产生的位置及裂纹本身的形态在一定程度上决定了裂纹的类型,如图8-39所示。首先应弄清裂纹是产生在焊缝、热影响区还是母材上。焊缝上可能产生各种热裂纹、冷裂纹、应力腐蚀裂纹,但不会出现再热裂纹和层状撕裂。热影响区产生的裂纹主要是冷裂纹,也有高温液化裂纹以及各种腐蚀裂纹,但不会产生焊缝上特有的结晶裂纹。母材上一般只可能产生层状撕裂和应力腐蚀裂纹。
(2)裂纹的外观形态和走向 在焊件表面露头的热裂纹常有氧化色彩,而冷裂纹断面则有金属光泽。从表面观察热影响区的冷裂纹多呈纵向,焊缝上的冷裂纹多呈横向,但多层焊的打底焊道在焊根处产生的冷裂纹也常贯穿焊缝截面,从焊缝正面看,裂纹在焊缝上呈纵向。结晶裂纹总是位于焊缝柱状晶的交汇面上,或者在焊缝的正中,裂纹呈纵向分布;或者呈较小的短弯曲状,分布在焊缝中心线两侧,垂直于焊波的纹路。呈表面龟裂状的裂纹则可能是应力腐蚀裂纹。
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