管板與殼體連接焊接接頭失效原因分析
摘 要：通過對焊接接頭性能影響因素的分析和實驗，調整相應的結構參數和焊接工藝參數，防止焊接接頭缺陷的產生，提高接頭機械性能，從而提高產品的使用壽命，減少損失，節約了材料。
關鍵詞：焊接接頭；失效分析；結構因素
熱交換器產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品上的主要焊接接頭，制造過程中焊接接頭內部組織的缺陷，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械性能，也影響產品使用的可靠性，給使用單位帶來不必要的經濟損失，是個不可忽視的問題。通過對焊接接頭性能影響因素的分析和實驗，調整相應的結構參數和焊接工藝參數，防止焊接接頭缺陷的產生，提高接頭機械性能，從而提高產品的使用壽命，減少損失，節約了材料。
1 問題的提出
在產品生產過程中，焊接結構參數、焊接工藝參數、焊接前的準備和操作方法等因素都會影響焊接接頭的質量，在焊接時就要通過控制相關技術參數來控制焊接接頭內部質量，盡可能提高焊接接頭的機械性能。在諸多技術因素中以結構參數和焊接工藝參數對焊接接頭質量影響最大，為此，坡口尺寸變化對焊接接頭質量的影響及焊接工藝參數對焊接接頭質量的影響是本課題的主要內容。
通過研究不同尺寸的坡口用相同焊接工藝參數下焊成的接頭在焊接接頭組織、機械性能、焊接應力分布的變化；比較對焊接接頭質量影響最小的結構尺寸，選出最優技術參數。
2 坡口尺寸的確定
產品的設計坡口尺寸，其中，管板車邊尺寸為0.25δ,與殼體組對后坡口間隙為0.4δ1，具體根據不同的板厚在國家標準中有明確的規定。
本課題根據中生產單位的實際情況，δ和δ1的取值如表1。根據表中的數據，按《鋼制壓力容器》標準的有關規定，可以分別計算出管板車邊尺寸和坡口間隙尺寸，也列于表1中。
在本次試驗中，為了減少工作量，試件的坡口組對成大小端，最大值取6mm，最小值取1mm。雖然該值與國家標準的要求有出入，但符合焊接工藝中保證焊接接頭質量的有關要求，對試驗結果的正確性影響不明顯。
3 模擬試驗與檢測
為保證結構參數對焊接接頭的組織、應力和機械性能等方面影響的試驗結果準確，在焊接過程中，要求焊接工藝參數保持不變。
本試驗的試件結構與產品實際使用的結構相近。對焊接接頭的檢測主要包括焊接接頭熱影響區應力值、機械性能測試和熱影響區組織分析。
3.1應力測試
應力測試時采用了應力釋放法。
通過焊接接頭區或焊接熱影響區某點處的應變量測試，計算出該點的應力值。用此法檢測比較簡單，所需測試設備簡便。雖然數據不夠準確，但同一試件測試的數據有對比性，對本課題來說完全符合要求。
測試時，為使焊接熱影響區的應力相對準確且有對比性，試驗時選焊接接頭焊趾兩側5mm處平行于焊接接頭中心線的直線上作為測試焊接應力的位置，并以5mm的間距為一測試點，兩側兩端各測6點。
3.2機械性能測試
應力測試后的試件用機械加工的方法加工成拉伸試樣，測試其機械性能。
4 數據分析
4.1測試點應力與焊接接頭距離的關系
以上數據表明，離焊接接頭不同的距離的各點間的應力是不同的。離熔合線越近，應力值越大；離熔合線越遠，應力值越小。表明高溫區更易產生較高的應力。
4.2坡口間距對應力的影響
坡口間距對應的影響也較為明顯，從表中可以看出，坡口間距越大，應力值也有明顯的增大，最大間隙處應力值（為最小間隙處應力值的3.5倍左右）。從理論上分析，坡口越大，需填充的金屬越多，焊接時熱作用時間越長，溫度也越高，因而產生更大的應力。
4.3坡口間距對機械性能的影響
可以看出，坡口間距對機械性能的影響較小，但坡口間距對缺陷有較大的影響。兩個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度，降低疲勞強度。
5 金相分析
在相應的最大坡口端和最小坡口端，分別取試樣進行金相分析，對比母材金相，組織變化差異很小。可見，因所用材料為普通碳素結構鋼（管板和筒體材料都選用了Q235-B），這類材料的組織在加熱時，長大傾向并不明顯。可以認為，坡口間距對焊接接頭及熱影響區金屬組織的影響是不大的。或者說，因焊接接頭及熱影響區金屬組織所引起的焊接接頭失效現象的因素要比焊接缺陷和應力變化所產生的影響小得多。
6 結論
通過以上分析，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。因為坡口尺寸大小對焊接接頭內部缺陷的產生及熱影響區的焊接殘余應力大小有著重大的影響，坡口越大，焊接缺陷產生的可能性增加，焊接殘余應力增加。在焊接實踐中，可以通過選擇合適的坡口尺寸，配以合理的焊接工藝參數，盡可能降低焊接接頭及熱影響區的焊接殘余應力，則可以減少此類失效現象的發生，從而減小生產中的經濟損失。
參考文獻
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