S31603和Q345R異種鋼焊接工藝

史維琴

（常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械系，江蘇 常州 213164）

0 前言

某再生塔塔體由兩部分組成，上部分為12 mm的低合金鋼Q345R，按照產(chǎn)品技術(shù)要求必須進(jìn)行620℃±20℃熱處理；下部分為16 mm的奧氏體不銹鋼S31603，不允許進(jìn)行熱處理。產(chǎn)品的終止焊縫是S31603和Q345R異種鋼對接。為此進(jìn)行了焊接工藝評定試驗(yàn)，其彎曲試樣在Q345R側(cè)發(fā)生開裂，如圖1所示。為此，從Q345R與S31603異種鋼的焊接性，以及選擇焊接方法、焊接坡口、焊接材料、焊接熱輸入、預(yù)熱和層間溫度等方面分析、探討產(chǎn)生開裂的原因，并焊接模擬件，確定合適的焊接工藝，來保證其焊接接頭的性能。

1 焊接性分析

圖1 開裂的彎曲試樣

Q345R是低合金鋼，常溫組織是珠光體，S31603是奧氏體不銹鋼。其化學(xué)成分、金相組織、物理性能和力學(xué)性能等方面有較大差異[1]，焊接時(shí)容易出現(xiàn)以下問題：

（1）焊縫金屬受到Q345R鋼的稀釋，在緊靠Q345R鋼一側(cè)熔合線的焊縫金屬中，會形成和焊縫金屬內(nèi)部成分不同的過渡層。離熔合線越近，Q345R鋼的稀釋作用越強(qiáng)烈，過渡層中含鉻、鎳量也越少，此時(shí)過渡層可能會出現(xiàn)高硬度的馬氏體或奧氏體+馬氏體區(qū)組織。

（2）在焊接高溫下，Q345R鋼與S31603鋼界面附近發(fā)生反應(yīng)擴(kuò)散而使碳遷移，在Q345R鋼側(cè)形成脫碳層而軟化，在S31603鋼側(cè)形成增碳層而硬化。

（3）由于兩種鋼的線膨脹系數(shù)不同，焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力無法通過熱處理方式去除，使焊縫和熔合線附近產(chǎn)生附加拉應(yīng)力，而Q345R鋼的塑韌性比奧氏體鋼S31603差，所以在Q345R鋼側(cè)易產(chǎn)生開裂。

2 焊接工藝分析

2.1 焊接方法

Q345R與S31603異種鋼焊接時(shí)應(yīng)選用熔合比小、稀釋率低的焊接方法。表1為各種焊接方法堆焊時(shí)得到的熔合比范圍。由表1可知，焊條電弧焊的熔合比較低，變化范圍較小，因而焊縫成分比較穩(wěn)定，這也是目前異種鋼焊接最常用的焊接方法。

表1 幾種焊接方法的熔合比范圍[1]

2.2 焊接坡口

因?yàn)閺澢嚇釉赒345R側(cè)發(fā)生了開裂，為了防止因應(yīng)力過高而在熔化區(qū)出現(xiàn)開裂情況，在Q345R側(cè)堆焊過渡層，減小淬硬傾向[2]，然后再與S31603進(jìn)行對接。

2.3 焊接材料

Q345R堆焊時(shí)，選擇含鎳量大于62%的鎳基合金焊條ENiCrFe-2，利用鎳的石墨化作用能阻礙形成碳化物，減小過渡層，防止產(chǎn)生高硬度的馬氏體，且抑制Q345R中碳的遷移[1]。堆焊完成后進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，然后與S31603焊接，也選擇焊條ENiCrFe-2。ENiCrFe-2的線脹系數(shù)接近Q345R，這樣焊接應(yīng)力將集中在S31603一側(cè)，而奧氏體鋼S31603的塑性變形能力強(qiáng)，能承受較大的應(yīng)力。

2.4 焊接熱輸入

由于鎳基合金的熔深淺及液態(tài)焊縫金屬流動性差，如果通過加大焊接電流提高焊縫金屬流動性，可能會增大熱裂紋傾向、產(chǎn)生氣孔、接頭過熱、晶粒長大、過度偏析、碳化物沉淀等。因此鎳基合金焊條焊接時(shí)宜采用較小的熱輸入，縮短焊縫熔融金屬存在時(shí)間，防止產(chǎn)生熱裂紋和脆硬組織，改善熔合質(zhì)量[3]。

2.5 預(yù)熱和層間溫度

為了提高焊縫金屬和珠光體鋼的熔合，可以增加液態(tài)焊縫金屬流動性和適當(dāng)預(yù)熱，但溫度又不能太高，過高的預(yù)熱溫度和層間溫度會增大熔合比及母材過熱，晶粒粗大或產(chǎn)生脆硬組織等，堆焊時(shí)預(yù)熱溫度為60℃，層間溫度60℃～80℃。

3 焊接模擬件（MOCK-UP）

根據(jù)再生塔產(chǎn)品的特性模擬生產(chǎn)過程，制作模擬件，然后進(jìn)行拉伸、彎曲試驗(yàn)和宏觀金相檢驗(yàn)。

3.1 焊前準(zhǔn)備

（1）試板和坡口。

Q345R：500mm×150 mm×12 mm，S31603：500 mm×150 mm×16 mm，采用機(jī)加工方法刨坡口，坡口見圖2a。

圖2 坡口示意

（2）焊接材料。

按照焊材使用說明書上要求，ENiCrFe-2焊條烘干250℃，保溫2 h。

（3）卷圓及坡口清理。

按照產(chǎn)品制造流程，Q345R鋼板進(jìn)行卷圓以后再進(jìn)行焊接，所以在實(shí)驗(yàn)過程中將試板在卷板機(jī)上按再生塔直徑1800 mm將試板卷成圓弧狀。然后將坡口及兩側(cè)約30 mm范圍內(nèi)的水、油污和鐵銹等清理干凈，檢查坡口及兩側(cè)有無裂紋。

3.2 焊接

（1）Q345側(cè)堆焊。將Q345試板寬度方向垂直放置，堆焊前將Q345板材坡口處預(yù)熱到60℃，用φ3.2的ENiCrFe-2焊條直流反接進(jìn)行堆焊，道間溫度80℃。焊接工藝參數(shù)見表2，焊接時(shí)盡量不要擺動，即使擺動，擺動幅度也不要超過1 mm。采用不銹鋼砂輪打磨弧坑，去除可能產(chǎn)生的弧坑裂紋；每道焊完后用不銹鋼砂輪清理干凈，防止產(chǎn)生夾渣；直至堆焊層厚度尺寸滿足要求，如圖2b所示。

（2）Q345堆焊層加工。產(chǎn)品卷圓堆焊后，無法采用坡口機(jī)加工坡口，一般采用打磨。將堆焊好的試板打磨出單邊V型坡口，不允許在一個地方長時(shí)間的打磨，應(yīng)采用分段間隔打磨，防止鎳基合金因?yàn)槭軣岫霈F(xiàn)裂紋；同時(shí)要檢查有沒有厚度不夠和其他缺陷存在，打磨后坡口如圖2c所示。坡口加工好后按照J(rèn)B/T4730-2005對試板堆焊部位進(jìn)行射線檢測（RT）和滲透檢測（PT），結(jié)果為 I級。

（3）焊后熱處理。堆焊后的試板進(jìn)行焊后熱處理，溫度按照Q345R要求為620℃±20℃，保溫1 h。然后再對試板堆焊部位進(jìn)行PT、RT，結(jié)果為I級。

（4）堆焊后Q345和S31603對接焊接。

將堆焊及熱處理后的Q345和坡口側(cè)削邊處理的S31603組對，裝配尺寸和焊接順序如圖3所示，焊接時(shí)控制層間溫度為80℃，焊道間清理干凈，防止夾渣，去除氧化皮等雜質(zhì)。收弧打磨，去除有可能產(chǎn)生的裂紋。焊接工藝參數(shù)見表2。

圖3 堆焊的Q345R和S31603裝配和焊接

表2 焊接工藝參數(shù)

3.3 焊后檢查

（1）外觀檢查和無損檢測。

焊后進(jìn)行外觀檢查，表面沒有氣孔、夾雜、裂紋等缺陷，然后進(jìn)行PT、RT，結(jié)果都是I級。

（2）力學(xué)性能試驗(yàn)和結(jié)果分析

按NB/T47014-2011要求加工試樣，并進(jìn)行拉伸、彎曲[3]和金相試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值見表3；拉伸、彎曲和金相試樣如圖4所示。

表3 拉伸、彎曲和金相試驗(yàn)結(jié)果

圖4 拉伸、彎曲和金相試樣

從表3和圖4可知，拉伸、彎曲試驗(yàn)和宏觀金相檢查都合格，說明焊接接頭的性能符合要求，制定的焊接工藝合理。

4 結(jié)論

（1）焊接時(shí)控制焊接熱輸入小于7.2 kJ/cm，采用小電流、低電壓、小幅度擺動電弧、多層多道焊。否則在堆焊過渡層易出現(xiàn)細(xì)微的熱裂紋。

（2）堆焊前適當(dāng)預(yù)熱至60℃，層間溫度控制在60℃～80℃，有利于防止產(chǎn)生裂紋。

（3）焊前將母材以及每層（道）焊縫清理至金屬本色，避免焊件表面氧化皮和引起脆化的元素存在。

[1]中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會編.焊接手冊第2卷[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]李雪榮.金屬材料焊接工藝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3]姚彩艷，張林賢.鐵鎳基合金的焊接工藝研究[J].焊接技術(shù)，2002，31（6）：19-20.

[4]NB/T47014-2011.承壓設(shè)備焊接工藝評定[S].北京：新華出版社，2011.