不銹鋼復(fù)合板防止焊縫裂紋產(chǎn)生的制造技術(shù)

張然 汪心洋

摘要：不銹鋼復(fù)合板焊縫焊接過程中為防止焊縫過渡層及復(fù)層出現(xiàn)冷、熱裂紋，所采取正確的制造工藝及焊接方法，檢測手段；

關(guān)鍵詞：不銹鋼復(fù)合板，焊縫裂紋，復(fù)合板材料，焊接工藝，焊前預(yù)熱，錯邊量

某公司壓力容器廠為某瀝青公司制造的凈氨塔產(chǎn)品，直徑φ3600mm，其材質(zhì)為Q345R+316L，厚度δ（36+3）mm，設(shè)計壓力2.03MPA，該產(chǎn)品在制造時為了避免復(fù)層焊后經(jīng)常會出現(xiàn)較大面積的橫向或縱向的冷、熱裂紋，該公司技術(shù)部門針對焊縫裂紋產(chǎn)生的原因及機(jī)理特征進(jìn)行了分析，并編制了合理的坡口加工形式，正確的焊接方法及施焊工藝，完善的檢驗檢查手段，同時通過良好的監(jiān)督執(zhí)行機(jī)制，最終取得了很好的成效，成功的避免了焊縫復(fù)層在焊后極易產(chǎn)生裂紋的問題，并給今后相關(guān)產(chǎn)品制造帶來很好的示范效應(yīng)，內(nèi)容如下：

1.過渡層產(chǎn)生裂紋的原因

由于Q345R和316L兩種鋼種的物理性能化學(xué)成分的差異以及晶體組織和力學(xué)性能的不同，導(dǎo)致在焊接中出現(xiàn)以下問題。

1.1焊接時，接頭過渡層發(fā)生嚴(yán)重的碳遷移及組織性能的變化，即界面發(fā)生擴(kuò)散運動而使碳遷移，在基層側(cè)（Q345R）形成脫碳層，而在復(fù)合側(cè)（316L）形成增碳層，兩側(cè)性能相差懸殊。由于組對時受力不均，因而容易引起應(yīng)力集中。

1.2兩種鋼的線膨脹系數(shù)相差較大，在焊接過渡層近界面部位產(chǎn)生附加應(yīng)力，導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生裂紋。

1.3焊接時，雖然加入了合金元素如Cr、Ni、 Mo、 Ti等稀有金屬，但對母材仍產(chǎn)生稀釋問題，從而在焊縫中產(chǎn)生淬硬的馬氏體組織，對接頭極為不利。

2.復(fù)合板材料的選擇

碳鋼與不銹鋼爆炸焊時，由于工藝參數(shù)不當(dāng)，且不銹鋼復(fù)層多含有Cr、Ni、 Mo、 Ti等稀有金屬容易在接合面交界處產(chǎn)生硬化的合金層，當(dāng)進(jìn)行彎曲試驗時，這種合金層容易形成裂紋。因此，使用爆炸焊復(fù)合鋼制造承受彎曲載荷的結(jié)構(gòu)時，必須選用沒有硬化合金層的爆炸焊復(fù)合鋼。

不銹復(fù)合鋼冷軋薄鋼板的力學(xué)性能應(yīng)符合基層材料相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，在彎曲部分的外側(cè)允許產(chǎn)生裂紋，復(fù)合界面不允許分層。

3.合理的焊接工藝

3.1在選擇焊縫坡口形式時，采用圖2所示的焊接坡口形式，這種坡口形式的優(yōu)點是：

（1）坡口尺寸標(biāo)注以復(fù)層為基準(zhǔn)，盡量使復(fù)層對齊，以保證其耐腐蝕性能。

（2）基層與復(fù)層完全分開，便于焊工實際操作。

（3）在剝離復(fù)層側(cè)時，向基層刨去深度1mm，增加了復(fù)層的厚度，保證了過渡層和復(fù)層的焊接質(zhì)量，增加l耐腐蝕性能。

（4）在復(fù)層側(cè)設(shè)計30°斜角，可以防止焊縫夾渣和未熔合缺陷。

（5）有利于基層進(jìn)行x射線探傷檢查，易于發(fā)現(xiàn)缺陷，便于返修。

（6）雙面V型坡口有效的減少了焊縫內(nèi)側(cè)或外側(cè)應(yīng)力集中，使得復(fù)層焊接后較少出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象。

3.2焊接坡口工藝參數(shù)及焊接設(shè)備的選擇

焊接坡口的選擇原則是基體融合的焊縫金屬量愈少愈好，即融合比越小越好，其目的是減少馬氏體組織，避免或減少出現(xiàn)冷裂紋。坡口形式如圖二所示。同時為了減少合金元素的稀釋，也應(yīng)減少融合比，采用小電流，快速焊接。需要指出的是，線能量不能過小，也不能過大。線能量過小，會增大熔合區(qū)的硬化程度，對韌性和防止裂紋不利，極易出現(xiàn)再熱裂紋；線能量過大，會促使馬氏體組織的形成，同時增大了奧氏體過熱，易使焊縫脆化。所以說，只有使用適中的線能量，才能既保證熔合比較小，又能防止再熱裂紋及脆化。焊機(jī)采用選用AX-500S焊機(jī)，直流反接。

4.焊接方法和焊接材料的選擇

4.1焊接方法選用基層采用埋弧自動焊，同時為了保證焊接質(zhì)量及減少應(yīng)力，過渡層和復(fù)層采用手工電弧焊。過渡層的焊接屬于異種金屬之間的焊接，一般要求焊縫金屬或接頭的強(qiáng)度不低于兩種被焊金屬的最低強(qiáng)度，選用焊條強(qiáng)度應(yīng)能保證焊縫金屬或接頭的強(qiáng)度不低于兩種被焊金屬的最低強(qiáng)度，選用焊條強(qiáng)度應(yīng)能保證焊縫及接頭的強(qiáng)度不低于強(qiáng)度較低側(cè)母材的強(qiáng)度，同時焊縫金屬的塑性和沖擊韌性不低于強(qiáng)度較高側(cè)母材的性能。為防止焊接裂紋，應(yīng)按強(qiáng)度級別較高而焊接性能較差的鋼種確定焊接工藝。為了提高焊縫金屬的抗裂能力，應(yīng)選用抗裂性較強(qiáng)的低氫型焊條。

4.2 焊前預(yù)熱

對于厚度大于30mm以上的基層材料，焊前需進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱的目的主要進(jìn)行消氫處理，以防止氫釋放不足而出現(xiàn)焊后延遲裂紋。

4.3 焊接操作要求

在焊接操作中，應(yīng)注意以下事項：

（1）在過渡層焊接前及過渡層焊接中，應(yīng)用角磨機(jī)將焊縫周圍藥皮清理干凈，露出金屬光澤，這樣可以有效地防止氫熔入焊縫，從而防止冷裂紋的產(chǎn)生。

（2）焊接前焊條在烘干箱內(nèi)350°C條件下烘干2小時，然后保溫。焊接時應(yīng)使用保溫桶裝焊條，隨用隨取。

（3）過渡層焊接應(yīng)選用多人分段對稱焊接，從而減少應(yīng)力的產(chǎn)生。

（4）采用短弧操作，焊條在坡口兩側(cè)稍作停留，以保證焊縫與母材金屬充分融合。

（5）進(jìn)行多層多道焊接時，層間溫度嚴(yán)格控制在350°C左右直至焊接結(jié)束，嚴(yán)格控制層間溫度的目的是為了防止裂紋的產(chǎn)生。

（6）收弧時應(yīng)注意填滿弧坑，否則容易出現(xiàn)裂紋。

5.控制錯邊量

對不銹鋼復(fù)合板錯邊量控制的要求要比普通碳鋼或低合金鋼嚴(yán)格得多，控制不銹鋼復(fù)合板的錯邊量不超標(biāo)，是保證其強(qiáng)度和耐蝕性能的一個關(guān)鍵。為此，特采取以下措施進(jìn)行錯邊量控制：

（1）嚴(yán)格按照“筒體下料展開尺寸的精確解”計算展開長度，并保證實際下料尺寸準(zhǔn)確。

（2）保證筒節(jié)滾圓質(zhì)量，控制好圓度。

（3）坡口形式尺寸標(biāo)注以復(fù)層為基準(zhǔn)，確保錯邊量不超標(biāo)。

（4）環(huán)縫組對采用“圓環(huán)形徑向找圓工裝”，保證簡體圓度，保證組對質(zhì)量。

（5）封頭與筒體組對，首先保證各自的內(nèi)圓周長，同時以封頭周長匹配筒體周長，保證封頭與筒休的組對質(zhì)量。

（6）組對時以復(fù)層為基準(zhǔn)，防止復(fù)層錯邊量超標(biāo)。

6.施焊焊工

從事鍋爐壓力容器焊接工作的焊工必須按照國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局制定的《鍋爐壓力容器壓力管道焊工考試與管理規(guī)則》進(jìn)行考試，取得焊工合格證后，才能在有效期間內(nèi)擔(dān)任合格項目范圍內(nèi)的焊接工作。焊工必須按圖樣、工藝文件和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)施焊。焊工應(yīng)在規(guī)定部位打上焊工鋼印，對于有防腐要求的不銹鋼以及復(fù)合鋼板制壓力容器不得在防腐而采用硬印作為焊工識別標(biāo)志，而應(yīng)用簡圖記錄焊工代號，并將簡圖列入產(chǎn)品質(zhì)量證明書中提供給用戶。

7.焊接時要注意事項

為了保證不銹鋼復(fù)合板原有的綜合性能，應(yīng)對基層、過渡層和復(fù)層分別進(jìn)行焊接。不銹鋼復(fù)合板焊接時，應(yīng)注意以下幾點：

（1）嚴(yán)格按照圖樣、焊接工藝和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)施焊。

（2）遵循先焊接基層，再焊接過渡層，最后焊接復(fù)層的焊接順序。

（3）為防止沾附焊接飛濺，施焊前需在不銹鋼復(fù)合板坡口兩側(cè)100mm范圍內(nèi)刷涂防飛濺涂料。

（4）定位焊縫只允許在基層金屬而上采用焊接基層金屬的電焊條施焊。

（5）基層的焊接，應(yīng)嚴(yán)防基層焊縫熔化到不銹鋼的過渡層甚至復(fù)層焊縫，以免少量高鉻、高鎳的不銹鋼成分稀釋到碳素鋼焊縫中形成馬氏體組織而發(fā)生硬化。在不銹鋼一側(cè)的基層焊縫盡量采用無飛濺的焊接方法（例如埋弧焊、非熔化極氬弧焊等），因為碳素鋼的飛濺會在復(fù)層表面造成銹蝕。

（6）嚴(yán)防碳鋼或低合金鋼焊條焊接在復(fù)層上或過渡層焊條焊在復(fù)層面上。

（7）焊接過渡層時，為減小稀釋率，在保證焊透的條件下，應(yīng)盡可能采用小直徑焊條，并采用小規(guī)范反極性進(jìn)行直道焊，以降低基層對過渡層焊縫的稀釋。

（8）復(fù)層焊接前，仔細(xì)清除坡口邊緣復(fù)層坡口上的飛濺物。

（9）復(fù)層焊接時，為保證焊接質(zhì)量，必須控制焊接熱輸入，應(yīng)采取多層多道快速不擺動焊法，盡量采用小的焊接熱輸入和電流，并快速焊接。復(fù)層焊接時，不應(yīng)預(yù)熱和緩冷，有時甚至采取強(qiáng)制冷卻措施，以盡量減少焊縫在400～850°C溫度區(qū)問的停留時間，防止焊縫產(chǎn)生奧氏體品界局部貧鉻，析出σ脆性相，產(chǎn)生475℃脆性，從而保證焊縫金屬具有良好的力學(xué)性能和抗晶問腐蝕性能。

（10）不銹鋼復(fù)合板焊接的關(guān)鍵是提高焊縫一次合格率，減少返修次數(shù)。因為不銹鋼復(fù)合板焊接接頭的組織和性能十分不均勻，焊縫返修時經(jīng)常產(chǎn)生熱裂紋。

（11）不銹鋼設(shè)備接觸介質(zhì)的一面焊縫應(yīng)盡可能最后焊接。

（12）嚴(yán)格控制不銹鋼表面機(jī)械損傷和飛濺物。

8.預(yù)熱和熱處理

不銹鋼復(fù)合板焊前預(yù)熱和焊后熱處理按JB/T4709--2007《鋼制壓力容器焊接規(guī)程》進(jìn)行。

（1）焊前預(yù)熱 當(dāng)不銹鋼復(fù)合板基層需要預(yù)熱時，應(yīng)以復(fù)合鋼的總厚度作為確定預(yù)熱溫度的厚度參數(shù)。當(dāng)基層需要進(jìn)行預(yù)熱時，施焊過渡層的焊縫也必須預(yù)熱。

（2）焊后熱處理不銹鋼復(fù)合板應(yīng)盡量避免焊后熱處理。當(dāng)需要進(jìn)行焊后熱處理時，應(yīng)避免復(fù)層母材和焊接接頭中鉻碳化物析出和形成σ，相。如焊后熱處理溫度在不銹鋼的敏化溫度區(qū)間之內(nèi)，就會降低不銹鋼的耐腐蝕性能，使不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕裂紋。為解決這個問題，可以采用“低溫長時”的熱處理方式，即適當(dāng)降低熱處理溫度，延長保溫時間。

9.焊接質(zhì)量檢驗

在基層焊接完畢之后、過渡層與復(fù)層焊接之前，對基層一般應(yīng)進(jìn)行射線探傷檢查。發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，立即進(jìn)行返修。返修完畢并經(jīng)RT射線探傷檢查合格后，再將復(fù)層側(cè)的基層焊縫表面打磨平整，一般應(yīng)進(jìn)行PT探傷檢查，經(jīng)過PT探傷檢查合格后，再焊接過渡層，過渡層焊后須對過渡層進(jìn)行外觀檢驗，應(yīng)無表面缺陷，并經(jīng)100%著色檢查也未發(fā)現(xiàn)焊縫裂紋后再焊復(fù)層，復(fù)層焊接完畢后，除了VT檢查合格外，還需進(jìn)行PT100%探傷檢查，Ⅰ級合格。

通過以上工藝措施的落實，有效的保證了不銹鋼復(fù)合板的整體焊接質(zhì)量，避免了復(fù)層焊縫表面裂紋的產(chǎn)生，取得了良好的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB150-2011 JB/T4709—2007.

作者簡介，張然（1976.07-），男，江蘇省張家港市楊舍鎮(zhèn)人，就職江蘇省張家港市華益特種設(shè)備有限公司，大學(xué)學(xué)歷，機(jī)械制造專業(yè)。職稱：工程師，職務(wù)： 質(zhì)保工程師兼質(zhì)量部部長，研究方向：鍋爐壓力容器制造。