海绵钛还原罐焊缝开裂原因及防止措施

王若愚，李大东，陆 鑫，刘锦燕

（攀钢集团研究院有限公司，四川攀枝花617000）

海绵钛还原罐焊缝开裂原因及防止措施

王若愚，李大东，陆 鑫，刘锦燕

（攀钢集团研究院有限公司，四川攀枝花617000）

海绵钛还原罐工况恶劣，焊缝受力大，使用一段时间部分罐体焊缝开裂。通过取样分析，还原罐材质为18-8型奥氏体不锈钢，裂纹产生于罐体外侧，焊缝开裂与还原罐工作温度高、焊缝受力太大、制造过程中焊接热输入太大导致的焊缝晶粒粗大密切相关。还原罐喷淋冷却过程中，在水蒸汽与氯离子（Cl-）的共同作用下，加速了罐体的腐蚀和裂纹扩展。采取在还原罐下加支撑，减小焊缝受力，采用小线能量焊接，控制层间温度等措施，能降低还原罐焊缝开裂倾向，延长还原罐的使用寿命，降低海绵钛生产成本。

不锈钢；裂纹；晶粒粗大；线能量；层间温度

0 前言

还原罐是生产海绵钛的关键设备，某年产海绵钛1.5万t的企业，每个不锈钢还原罐（直径1.88 m，壁厚40mm，长4.88 m）成本约30万元，设计使用寿命30炉次。部分还原罐使用15炉次后即出现焊缝开裂。该企业每年维修和更换还原罐费用高达1 000万。为避免还原罐焊缝过早开裂，延长其使用寿命，降低生产成本，研究还原罐焊缝开裂原因及防止开裂具有重要意义。

还原罐焊缝有筒体与封头连接的环焊缝和筒体纵缝两种，虽然纵焊缝受力大于环焊缝，从理论上讲更容易开裂，但环焊缝的受力状况和焊缝内部质量比纵焊缝差，且环焊缝为工作焊缝，一旦产生裂纹，应力往往集中在裂纹端部，形成楔入作用，向薄弱地方扩展，特别是应力和缺陷等因素叠加在一起时最为不利，裂纹更容易形成并扩展。纵焊缝因其内在质量较好，且为联系焊缝，故纵焊缝发生失效少于环焊缝。典型环焊缝裂纹见图1，纵焊缝裂纹见图2。

1 还原罐取样分析

为分析还原罐产生裂纹的原因，对开裂焊缝样进行了宏观形貌、化学成分及金相分析。

图1 环焊缝裂纹Fig.1Cracks of girth welds

图2 纵焊缝裂纹Fig.2Cracks of longitudinal welds

1.1 焊缝裂纹宏观形貌分析

环焊缝横截面形貌如图3所示，纵焊缝横截面形貌如图4所示。由焊缝横截面形貌可知，环焊缝和纵焊缝均采用X型坡口，只在焊缝外侧有裂纹。为看清焊缝裂纹细节，放大缝横截面形貌，环焊缝横截面放大形貌如图5所示，纵焊缝横截面放大形貌如图6所示。

图3 环焊缝横截面形貌Fig.3Cross sectional images of girth welds

图4 纵焊缝横截面形貌Fig.4Cross sectional images of longitudinal welds

图5 环焊缝横截面放大形貌Fig.5Scale-up cross sectional images of girth welds

观察环焊缝和纵焊缝横截面宏观形貌可见，焊缝外侧晶粒粗大，结晶方向明显。结晶方向最明显的环焊缝外侧裂纹最严重（裂纹宽2.5 mm，深15 mm）；焊缝内侧晶粒细小，结晶方向不太明显，没有裂纹。环焊缝盖面层焊缝宽度25 mm，熔深10.5 mm，裂纹深度15 mm，纵焊缝裂纹深度6 mm。

1.2 化学成分分析

还原罐环焊缝最容易产生裂纹，且裂纹尺寸大，通过观察环焊缝横截面形貌可知两侧母材颜色有差别，左侧母材颜色浅，焊缝和右侧母材颜色深，颜色浅说明耐蚀性好。分析该试样化学成分，结果如表1所示。

由表1可知，还原罐为18-8型奥氏体不锈钢，母材和焊缝中主要合金元素Cr、Ni相当，有裂纹侧和无裂纹侧的合金元素基本相同；母材耐蚀性较好一侧Ti、Mo含量明显高于焊缝和耐蚀性较差的母材；焊缝中有害元素S和P略高于母材，有益合金元素Ti、Nb均低于母材。

图6 纵焊缝横截面放大形貌Fig.6Scale-up cross sectional images of longitudinal welds

表1 还原罐化学成分％

1.3 金相分析

1.3.1 环焊缝外侧金相

环焊缝外侧金相照片如图7所示。

图7 环焊缝外侧金相照片Fig.7Metallographs of girth welds

由图7可知，外侧环焊缝晶粒粗大，裂纹呈树枝状，从焊缝表面向焊缝中心生长，主要为沿晶开裂，也有少量穿晶开裂。

1.3.2 环焊缝内侧金相

环焊缝内侧没有裂纹，金相照片如图8所示。

图8 环焊缝内侧金相照片Fig.8Metallograghs of the inner side girth welds

内侧环焊缝晶粒细小，这是因为焊缝内侧通常采用焊条电弧焊，焊接时热输入小、冷速快，晶粒细小，有害杂质元素分散，低熔共晶不易集聚，因此在焊缝内侧未发现裂纹。

1.3.3 纵焊缝金相

纵焊缝金相如图9所示。纵焊缝横截面和焊缝纵断面上既有点蚀坑，也有线状腐蚀。这两种腐蚀与腐蚀介质有关。

图9 纵焊缝金相照片Fig.9Metallograghs of longitudinal welds

2 海绵钛还原罐裂纹产生原因

分析海绵钛生产工艺流程及还原罐取样，观察焊缝裂纹形貌，发现造成还原罐焊缝产生裂纹的主要原因是：还原罐工况恶劣，焊缝承受应力大，加上高温水蒸汽和氯离子（Cl-）作用，造成应力腐蚀；焊接时热输入太大，焊缝晶粒粗大，S、P等低熔点杂质最后在焊缝中心凝固，形成低熔点共晶（Ni-S共晶的熔点645℃，Ni-P共晶的熔点880℃）[1]，还原罐在高温使用时，产生液化裂纹，裂纹逐渐扩展，造成开裂；还原罐在水和氯离子（Cl-）作用下，形成点蚀坑和线状腐蚀，点蚀坑和线状腐蚀逐渐扩展，形成裂纹。

2.1 海绵钛生产工艺流程及工况

海绵钛主要生产工艺是镁热还原法，其基本原理是：在氩气的保护下，向反应器内加入TiCl4使之与Mg反应，生成海绵钛和氯化镁，再采用真空蒸馏法除去海绵钛中的镁和氯化镁等杂质，得到纯净的海绵钛。海绵钛生产流程中经历预处理、反应、蒸馏、冷凝四个工艺操作阶段[2]。其中蒸馏阶段温度高，时间长（1 000℃～1 020℃，恒温160 h）。冷凝阶段是指温度降至500℃～600℃，喷淋65h冷却至常温。

海绵钛生产过程中，反应阶段内部通氩气保护，蒸馏和冷凝阶段内部抽真空，冷凝阶段外壁与高温水蒸汽和氯离子（Cl-）作用时间长，外壁比内壁工况恶劣，因此外侧容易开裂。

2.2 还原罐工况恶劣，受力大

海绵钛生产中还原罐工况恶劣，高温工作时间长，承受周期性加热、冷却循环载荷，蒸馏阶段的还原罐处于低真空封闭炉体中持续加热，温度维持在1 000℃～1 020℃长达160 h[3]，并且容器还要经受自重和载荷（总重26.7 t）影响，在高温和受力的联合作用下，加上焊接缺欠或接头晶粒粗大等原因，焊缝成为整个结构的薄弱处，在外力作用下发生开裂。环焊缝为工作焊缝，制造时内部质量差，工作过程中一旦产生裂纹，裂纹容易扩展，所以环焊缝裂纹一般较长；纵焊缝为联系焊缝，加上其内在质量较好，即使产生裂纹，裂纹不易扩展，裂纹一般较短，两种焊缝裂纹走向均与受力方向垂直（如图10、图11所示），由此证明焊缝开裂与焊缝承受外力太大有密切关系。

图10 环焊缝裂纹及受力方向Fig.10Cracks and force directions of girth welds

图11 纵焊缝裂纹及受力方向Fig.11Cracks and force directions of longitudinal welds

2.3 热输入太大，焊缝晶粒粗大，偏析明显

还原罐环焊缝盖面层焊缝晶粒粗大，结晶方向明显，这与焊接热输入太大密切相关。当热输入过大时，熔池体积增大（单层熔深10.5 mm，焊缝宽度25 mm），加上不锈钢热导率低，液、固相线距离较大，熔池结晶时间较长，造成低熔点有害杂质元素聚集在焊缝中心最后凝固处。由于还原罐在蒸馏阶段高温区载荷大，停留时间长，在外力作用下焊缝中心偏析处首先产生液化裂纹，再加上氯离子（Cl-）和高温水蒸汽的作用，随着使用时间和使用次数的增加，裂纹逐渐扩展，形成宏观裂纹。

2.4 点蚀和晶间腐蚀扩展形成裂纹

还原罐纵焊缝裂纹同样与焊缝晶粒粗大有关。奥氏体不锈钢钝化膜在S、P等杂质形成的低熔共晶处和粗大晶粒的晶界上较脆弱。还原罐冷凝阶段，喷淋冷却过程中（温度500℃～600℃），在高温水蒸汽及氯离子（Cl-）的共同作用下，钝化膜脆弱处容易被破坏，破坏部分成为活化的阳极，周围区成为阴极区，构成大阴极小阳极的微电池。阳极的电流密度很大，活性大，溶解速度快，遂形成许多小蚀坑，称为孔蚀核，只要介质中含有一定量的水及氯离子（Cl-），便可使蚀核逐渐形成蚀孔，蚀孔逐渐发展成点蚀坑（见图9a、9b），并逐步扩展形成裂纹。钝化膜脆弱的晶界上，晶间腐蚀处在微电池作用下发展为线状腐蚀（见图9c、9d），最后逐渐扩展形成裂纹。

2.5 应力腐蚀裂纹

奥氏体不锈钢在水及氯离子作用下易产生应力腐蚀裂纹，应力腐蚀敏感性随着温度升高而增大[4]。海绵钛还原罐裂纹发生在焊缝上，观察裂纹形貌可知，环焊缝裂纹与焊缝方向平行，纵焊缝裂纹近似垂直于焊接方向；裂纹从表面开始向内部扩展，点蚀和晶间腐蚀往往是裂纹的根源，裂纹表现为沿晶断裂和穿晶扩展，裂纹尖端常出现分枝，整体为树枝状。这些特点符合应力腐蚀裂纹的特征。

奥氏体不锈钢由于导热性差、线胀系数大、屈服点低，焊接时变形大。由于海绵钛还原罐厚度较大，焊接变形受到限制，接头中必然会残留较多的焊接残余应力，加上生产过程中罐内海绵钛和镁的自重，焊缝要承受较大的拉应力作用。拉应力与冷凝阶段高温水蒸汽和氯离子（Cl-）共同作用，导致焊缝出现应力腐蚀裂纹。

3 还原罐焊缝裂纹防止措施

（1）减小作用在焊缝上的力。

海绵钛生产中，还原罐通常采用悬挂方式，焊缝受力很大。还原罐生产过程中强力组装会使焊缝产生很大的拘束应力。焊缝在外加应力和拘束应力共同作用下容易开裂。因此，在卷制筒体时应严格控制椭圆度，确保自然装配，避免产生拘束应力。为减小焊缝受力，在还原罐下加支撑，可大大减小焊缝受力，减小焊缝开裂倾向。

（2）采用小线能量焊接。

还原罐生产中通常采用焊条电弧焊和埋弧焊，推荐采用如表2所示的工艺参数进行焊接。为了减少焊接热输入，无论焊条电弧焊或埋弧焊，应尽量多层多道焊，单层焊缝厚度不超过4 mm，单道焊道宽度不超过15 mm。

表2 焊接工艺参数

（3）控制层间温度。

为防止焊接接头晶粒粗大，除采用较小线能量外，焊后采用喷水或喷雾冷却，加快焊件的冷却速度，控制层间温度，前一层温度低于100℃，才允许焊接下一层。

（4）提高焊接质量。

提高焊接质量，尽量降低或消除焊接接头应力集中。焊缝余高不超过2 mm，无咬边、未熔合及未焊透等缺陷。焊后采用机械方法，如表面打磨抛光、喷丸或锤击来形成表面压应力，提高接头耐蚀能力。

4 结论

采用以上工艺措施生产的还原罐，达到设计使用寿命（平均使用30炉次）焊缝处才出现少量裂纹，大大提高了还原罐使用寿命，降低了维修费用，降低海绵钛企业生产成本。这些措施对其他奥氏体不锈钢容器的焊接生产同样具有指导意义。

[1]英若采.熔焊原理及金属材料焊接[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2]孙康.钛提取冶金物理化学[M].北京：冶金工业出版社，2001.

[3]刘正红，陈志强,李少兵，等.海绵钛制造用还原蒸馏容器[J].Ti工业进展，2009，26（5）：10-12.

[4]孙军，周成，王瑞岩，等.304L不锈钢在氯离子溶液中的应力腐蚀特性研究[J].齐鲁工业大学学报，2015（3）：69-74.

[5]雷世明.焊接方法与设备（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2012.

Weld crack causes and prevention of weld cracking the reduction jar of titanium sponge

WANG Ruoyu，LI Dadong，LU Xin，LIU Jinyan
（Pangang Group Research Institute Co.，Ltd.，Panzhihua 617000，China）

The reduction jar of titanium sponge production is under a bad working condition，and the weld seam is under a large stress，after a period time of using，section of the weld seam on the tank will be cracked.By analysis of samples，we learn that the reduction jar was made of 18-8 austenitic stainless steel，crack occurred on the lateral of tanks.There was a close relationship between the weld seam cracks and highly working temperature，large force the weld seam pressured,coarse grain during the welding process.At the same time，under the combined action of water and chloride(Cl-)during the spray cooling process，accelerated the corrosion of tanks and crack propagation.Measures should be taken such as adding some supports under the reduction jars，reducing the weld stress，using lower welding line energy，and controlling the interpass temperature，etc，to reduce the tendency to weld seam cracks，and extend its service life,and reduce the costs.

stainless steel；crack；coarse grain；line energy；interpass temperature

TG441.7

B

1001－2303（2017）01－0074-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.14

献

王若愚，李大东，陆鑫，等.海绵钛还原罐焊缝开裂原因及防止措施[J].电焊机，2017，47（1）：74-79.

2016-06-30；

2016-10-18

王若愚（1970—），男，四川资中人，高级工程师，硕士，主要从事金属材料焊接与技术的研究工作。