SA387Gr11CL2鋼耐蝕帶極埋弧堆焊工藝研究及過程控制

楊寶峰，李 佳

(太原重工煤化工設(shè)備分公司，山西 太原 030024)

1 引言

SA387Gr11CL2為美國SAME材料，在小于500℃以下具有良好的高溫強(qiáng)度、抗氧化性、抗硫化物腐蝕性，廣泛應(yīng)用于煤化工、石油化工行業(yè)中氣化爐、變換爐、反應(yīng)器等裝置，而這類裝置多數(shù)要求內(nèi)壁全部或部分堆焊不銹鋼。帶極埋弧堆焊是目前用于壓力容器內(nèi)壁堆焊的主要堆焊方法，在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用，具有高效、方便、堆焊質(zhì)量優(yōu)良、稀釋率低等優(yōu)點(diǎn)。本文就SA387 Gr11 CL2鋼進(jìn)行耐蝕帶極埋弧堆焊工藝評定試驗(yàn)，制訂堆焊焊接工藝，并應(yīng)用于產(chǎn)品的耐蝕堆焊。

該產(chǎn)品要求設(shè)備內(nèi)壁與合成氣接觸的表面進(jìn)行不銹鋼堆焊，過渡層堆焊309 L(B)，厚度3 mm;面層堆焊347 L，厚度3 mm。耐蝕層堆焊前按照NB/T47014－2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》進(jìn)行耐蝕堆焊焊接工藝評定，且耐蝕堆焊層與基層熔合界面的結(jié)合剪切強(qiáng)度應(yīng)不小于210 MPa，整個堆焊表面應(yīng)平整，厚度均勻。每層堆焊后進(jìn)行100%PT檢測，Ⅰ級合格，堆焊過渡層后進(jìn)行中間消應(yīng)力熱處理，最終產(chǎn)品制作完成后進(jìn)行一次整體消應(yīng)力熱處理。

2 SA387Gr11CL2鋼的焊接性分析

2.1 SA387Gr11 CL2鋼化學(xué)成分及供貨狀態(tài)

SAME材料標(biāo)準(zhǔn)對SA387 Gr11 CL2鋼的化學(xué)成分要求及復(fù)驗(yàn)結(jié)果見表1，鋼板以正火+回火狀態(tài)供貨［1］。

表1 SA387Gr11CL2鋼的化學(xué)成分%

2.2 SA387Gr11 CL2鋼的主要焊接性問題

根據(jù)國際焊接學(xué)會(IIW)提出，鋼材的碳當(dāng)量公式為:

由表1中SA387Gr11 CL2鋼的化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)結(jié)果得出 CE=0.64% ＞0.45%，由此可以看出SA387 Gr11CL2鋼焊接性較差，SA387 Gr11 CL2鋼在焊接過程中容易產(chǎn)生淬硬組織，在焊接應(yīng)力和氫的作用下，焊接接頭極易產(chǎn)生氫致裂紋，所以焊接過程中要避免產(chǎn)生淬硬組織、減少焊接應(yīng)力的產(chǎn)生和降低氫含量［2］。

同時，SA387Gr11 CL2鋼還有再熱裂紋傾向及回火脆化現(xiàn)象。通常PSR指數(shù)可以粗略地表征鋼的再熱裂紋敏感性。

由表1中SA387Gr11 CL2鋼的化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)結(jié)果得出PSR=0.56＞0，有可能產(chǎn)生再熱裂紋。Cr－Mo鋼及其接頭在370～565℃溫度區(qū)間長期運(yùn)行或加熱過程中，P、As、Sn、Sb等雜質(zhì)元素在奧氏體晶界偏析而引起晶界脆化，發(fā)生回火脆化［3］。

2.3 SA387Gr11 CL2鋼缺陷的預(yù)防措施

嚴(yán)格控制母材、焊材中的雜質(zhì)元素含量;按要求進(jìn)行焊劑烘干，去除其水分;堆焊前打磨清理待堆焊表面的油污、氧化皮、銹等雜質(zhì);焊前進(jìn)行預(yù)熱，防止形成淬硬組織，降低焊接過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力;焊后立即消氫處理，同時加快焊縫及熱影響區(qū)中氫的逸出;合理選擇熱處理規(guī)范，盡量縮短在敏感溫度區(qū)間的保溫時間。

3 SA387Gr11CL2鋼的帶極埋弧堆焊工藝介紹

3.1 耐蝕帶極埋弧堆焊的影響因素

(1)焊接電流的影響。焊接電流和焊接速度的配合很重要，與焊接電流太大時，稀釋率會增大，堆焊的穩(wěn)定性及焊道成型會變差。

(2)電壓的影響。堆焊過程中的電壓變化將影響焊道成型、尺寸和堆焊過程的穩(wěn)定性。電壓太小，引弧困難，堆焊過程不穩(wěn)定，電壓太大時焊道易產(chǎn)生咬邊。

(3)焊接速度的影響。堆焊速度的變化對焊道成型和稀釋率有較大影響，速度較快，堆焊厚度減小，容易咬邊，稀釋率增大。

(4)焊帶干伸長度的影響。焊帶干伸長度如較長，則焊帶易發(fā)紅，引弧困難。

(5)磁場的影響。在焊接磁場的影響下，熔池產(chǎn)生磁偏吹引起焊道不平整和焊道搭接處咬邊。

3.2 SA387Gr11CL2鋼的帶極埋弧堆焊工藝評定試驗(yàn)

堆焊母材試板采用規(guī)格為25×200×300試板，焊接材料選用哈焊所，過渡層:H309 L(0.5×60 mm)+SJ303，面層 H347 L(0.5 ×60mm)+SJ305，焊帶的化學(xué)成分見表2，堆焊示意圖見圖1。

表2 焊帶H309L、H347L的化學(xué)成分 %

圖1 堆焊示意圖

堆焊前打磨待堆焊表面，去除油污、氧化皮、銹等雜質(zhì)，100%MT檢測，Ⅰ級合格。焊前采用火焰加熱進(jìn)行預(yù)熱，最低預(yù)熱130℃。采用直流反接法，進(jìn)行過渡層堆焊，焊道之間搭接6～10 mm，焊接電流840～860 A，電壓28～30V，焊接速度17～18 cm/min，焊帶干伸長度30～40mm，焊后立即消氫處理，250～300℃ ×1 h。對于0.5×60mm的焊帶采用840～860A電流進(jìn)行焊接，磁力的作用不是很明顯。對過渡層進(jìn)行100%PT檢測，Ⅰ級合格。中間消應(yīng)力熱處理，加熱溫度為680±10℃，保溫120min。進(jìn)行面層堆焊，同樣焊道之間搭接6～10 mm，焊接電流840～860 A，電壓28～30 V，焊接速度17～18 cm/min，焊帶干伸長度30～40 mm。對面層進(jìn)行100%PT檢測，Ⅰ級合格。最終消應(yīng)力熱處理，加熱溫度為680±10℃，保溫540min。按照NB/T47014－2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》進(jìn)行化學(xué)成分分析、冷彎性能檢測:從堆焊層上鉆取不銹鋼堆焊層鋼屑進(jìn)行化學(xué)成分分析，化學(xué)成分滿足要求，化學(xué)成分結(jié)果見表3;切取四件橫向側(cè)彎進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，彎曲試樣合格，表面沒有裂紋及任何開口缺陷，冷彎殘樣見圖 2［4］。

表3 堆焊工藝評定化學(xué)成分%

圖2 冷彎殘樣

按照GB/T6396－2008《復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能試驗(yàn)方法》制取耐蝕堆焊層與基層熔合界面的結(jié)合剪切強(qiáng)度試樣，分垂直于焊道和平行于焊道兩件試樣，并做剪切試驗(yàn)，剪切強(qiáng)度分別為386 Mpa、482Mpa，滿足技術(shù)要求，剪切試樣見圖3。該SA387 Grl1 C12鋼耐蝕帶極埋弧堆焊焊接工藝評定合格。

圖3 剪切試樣

4 結(jié)語

在采購SA387 Grl1C12鋼和焊材時，應(yīng)嚴(yán)格控制其 S、P、As、Sn、Sb 等雜質(zhì)元素含量。SA387Gr11CL2鋼焊接性較差，焊接過程中容易產(chǎn)生淬硬組織及冷裂紋。

采用帶極埋弧堆焊過程中，選擇配套的焊接材料，合理地選擇焊接電流、電壓、焊接速度、焊帶干伸長度及焊道的搭接量，嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)范，堆焊出的不銹鋼焊道成型美觀，堆焊層化學(xué)成分、力學(xué)性滿足標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)要求。

［1］ASME鍋爐及壓力容器委員會材料分委員會.ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范－2007，第Ⅱ卷A篇鐵基材料［S］.北京:中國石化出版社，2008.

［2］周振豐.焊接冶金學(xué)(金屬焊接性)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

［3］中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊(第二卷)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001:310～312.

［4］全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.承壓設(shè)備焊接工藝評定－2011［S］.北京:新華出版社，2011.