AL-6XN超級不銹鋼與Q345R鋼復(fù)合鋼板工藝試驗

， ， ，

(四川驚雷科技股份有限公司，四川 宜賓 644623)

0 前言

AL-6XN超級不銹鋼屬含6%Mo的低碳、含氮超級奧氏體不銹鋼，被廣泛應(yīng)用在化工容器、海水淡化、海洋油氣平臺、制藥、食品以及熱電廠、鋼廠等煙氣脫硫設(shè)備上[1]。普通奧氏體不銹鋼與碳鋼的爆炸復(fù)合工藝非常成熟，而AL-6XN超級不銹鋼與普通奧氏體不銹鋼相比，強度高很多，對AL-6XN超級不銹鋼與碳鋼采用爆炸復(fù)合的研究較少見報道。四川驚雷科技股份有限公司為上海某集團改造一臺焦油塔設(shè)備，主體材料選用AL-6XN+Q345R復(fù)合鋼板。由于兩種材料的物理性質(zhì)、化學(xué)成分以及力學(xué)性能存在著較大的差異。因此，需要選擇合理的爆炸復(fù)合工藝和熱處理工藝，消除或減少爆炸焊接應(yīng)力的同時兼顧基材的力學(xué)性能并保證覆層的耐蝕性能。

針對AL-6XN+Q345R復(fù)合鋼板爆炸復(fù)合后選擇合適的熱處理工藝消除爆炸焊接應(yīng)力以及復(fù)合鋼板的焊接工藝制定進行試驗研究，總結(jié)出合適的工藝規(guī)范來滿足設(shè)備制造的技術(shù)要求。

1 AL-6XN與Q345R鋼的焊接性分析

AL-6XN與Q345R是兩種單一材料通過爆炸焊接而形成的復(fù)合材料，它們之間為固相結(jié)合。焊接時應(yīng)考慮兩種材料的差異。AL-6XN為單相奧氏體組織，合金含量高，線膨脹系數(shù)較大，在焊接時熱應(yīng)力較大；液態(tài)金屬的流動性也較差，焊接過程容易出現(xiàn)氣孔、未熔合等缺陷。而焊縫金屬中Ni與S，P，Si等元素易形成低熔點共晶物，若在晶界形成液膜，易引發(fā)焊縫中的結(jié)晶裂紋和熱影響區(qū)的液化裂紋，因此對坡口表面的清理以及焊絲的潔凈要求很高。此外，焊接熱輸入過大或焊接過熱嚴重，也會引起裂紋等缺陷。而Q345R鋼相對來說，焊接性較好，對焊接參數(shù)、工作環(huán)境等沒有那么苛刻。如何把握這兩種材料的焊接顯得非常重要，特別是兩種材料的界面處焊接即過渡層焊接。過渡層和覆層的焊接一般要求在較潔凈的環(huán)境下進行，且應(yīng)小規(guī)范施焊。

AL-6XN超級不銹鋼的Mo含量在6%左右。焊縫在結(jié)晶時，由于Mo在奧氏體中的溶解度低而優(yōu)先在液體中偏析，因此先結(jié)晶的固相便出現(xiàn)貧Mo現(xiàn)象而導(dǎo)致焊縫金屬的耐蝕性能下降。為了補償這種不良影響，AL-6XN超級不銹鋼在進行熔化焊時應(yīng)優(yōu)先選用含Mo高的鎳基焊接材料，通常采用9%Mo或Mo更高的焊接材料[2]。焊接AL-6XN時推薦選用ENiCrMo-3或ERNiCrMo-3焊接材料[3]。

2 焊接工藝及熱處理試驗

2.1 試驗材料及測試方法

該爆炸焊接法生產(chǎn)的復(fù)合鋼板為 3.4 mmAL-6XN和20 mmQ345R 。覆層AL-6XN和基材Q345R的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1～2。

表1 AL- 6XN與Q345R鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表2 AL- 6XN與Q345R鋼的力學(xué)性能

按照GB/T 6396—1995《復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能試驗方法》國家標準對AL-6XN+Q345R復(fù)合鋼板的力學(xué)性能進行測試；按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》標準對焊接接頭的力學(xué)性能進行測試。按照ASTM G48中的A法即6%FeCl3溶液和ASTM G28中的A法即50%H2SO4-Fe3(SO4)2溶液進行腐蝕試驗。

2.2 消除爆炸焊接應(yīng)力的熱處理試驗

爆炸焊是利用炸藥爆炸時所產(chǎn)生的高能量，使覆板向基板高速運動而發(fā)生碰撞，從而將被焊金屬結(jié)合在一起[4]。爆炸焊會產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力。復(fù)合鋼板熱處理目的就是為了消除或減少爆炸焊接應(yīng)力。熱處理工藝參數(shù)的選擇時既要考慮基材的力學(xué)性能，又要考慮覆層的耐蝕性能。AL-6XN在510 ℃以下是穩(wěn)定的，當長時間暴露在650～980 ℃時，σ相可能在晶界上析出；在980 ℃以上長時間加熱時，二次相將緩慢析出[5]。圖1是AL-6XN超級不銹鋼在24 ℃時在10%FeCl3溶液(即ASTM G48 B法)、失重量為0.001 g的等腐蝕曲線[6]。從圖1可以看出，AL-6XN鋼在650～980 ℃長時間熱處理下會影響其耐腐蝕性。

根據(jù)腐蝕曲線圖，對AL-6XN+Q345R(3.4 mm+20 mm)復(fù)合鋼板選擇了有代表性的幾個溫度進行熱處理試驗，即中溫熱處理按照550 ℃/4 h空冷、600 ℃/4 h空冷、650 ℃/4 h空冷和高溫熱處理按照1 020 ℃/25 min風冷、1 070 ℃/15 min風冷。

圖1 AL-6XN失重量0.001 g等腐蝕曲線圖

2.3 復(fù)合鋼板焊接工藝選擇

試驗中基材選用E5015焊條，覆層選用含9%Mo的ENiCrMo-3焊條或ERNiCrMo-3焊絲。按過渡層、覆層的焊接方法和焊接材料的不同進行了3組試驗。復(fù)合鋼板的焊接順序是先焊基材，再焊過渡層，最后焊覆層。圖2是焊接坡口及焊接順序。3組試板的焊接方法、焊接材料及焊接規(guī)范參數(shù)見表3。

圖2 復(fù)合板坡口及焊接順序圖

表3 焊接規(guī)范參數(shù)

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 熱處理試驗結(jié)果分析

爆炸復(fù)合后的鋼板經(jīng)中溫、高溫熱處理后，其復(fù)合鋼板內(nèi)的殘余應(yīng)力的測定有很多方法[4]。在工程實踐中，可通過復(fù)合鋼板的力學(xué)性能從側(cè)面定性反映其內(nèi)在應(yīng)力的大小，溫度越高，消除爆炸焊接的內(nèi)應(yīng)力效果就越好。

表4是AL-6XN+Q345R復(fù)合板在不同熱處理溫度下的力學(xué)性能和腐蝕數(shù)據(jù)。

表4 不同熱處理狀態(tài)下復(fù)合板的力學(xué)性能和耐蝕性能

注：①拉伸試樣帶覆層；②腐蝕率單位 mm/y，即毫米/年。

不同熱處理狀態(tài)下復(fù)合鋼板的抗剪強度在300～340 MPa之間，大于標準要求的210 MPa。AL-6XN+Q345R復(fù)合鋼板經(jīng)550 ℃和600 ℃中溫消應(yīng)力熱處理后，力學(xué)性能變化不大，屈服強度505～510 MPa之間，抗拉強度620～630 MPa之間，斷后伸長率22%～24%。雖然強度較高，斷后伸長率偏低，但均在標準NB/T 47002—2009《壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板》允許范圍內(nèi)；而試板經(jīng)650 ℃熱處理后斷后伸長率低于標準要求，且冷彎試驗不合格，說明該溫度不適合AL-6XN+Q345R復(fù)合鋼板熱處理；覆層硬度220～255 HB之間，硬度值偏高；所有試樣的0 ℃沖擊吸收能量在68 J以上。覆層的腐蝕數(shù)據(jù)不管是G48A還是G28A，隨著溫度的升高，其腐蝕率大幅度提高，特別是650 ℃的腐蝕率非常大。

復(fù)合鋼板經(jīng)1 000 ℃以上高溫熱處理后，屈服強度385～410 MPa之間，抗拉強度550～560 MPa之間，斷后伸長率大于30%，彎曲試驗合格，硬度189～192 HB左右，0 ℃沖擊吸收能量平均100 J以上。高溫熱處理后，屈服強度和抗拉強度比較適中，斷后伸長率遠大于標準要求。1 070 ℃的腐蝕率比1 020 ℃有明顯下降，說明在高溫段熱處理時，溫度越高越有利于保證覆層的耐蝕性。

由復(fù)合板力學(xué)試驗結(jié)果可知，高溫熱處理后材料的性能更優(yōu)，說明消除爆炸應(yīng)力更徹底，后續(xù)加工更有利。但由覆層腐蝕結(jié)果可知，中溫熱處理更有利于保證耐蝕性。生產(chǎn)中如何選擇熱處理規(guī)范，應(yīng)根據(jù)具體要求決定。

3.2 焊接接頭試驗結(jié)果分析

3組試驗中的試板均為焊態(tài)，分別進行力學(xué)性能及腐蝕試驗。第1組的4件側(cè)彎試樣均在覆層焊縫熔合線處開裂，且為貫穿性，有一件已經(jīng)延伸至基材焊縫上，腐蝕試驗合格，但數(shù)據(jù)偏大；第2組的4件側(cè)彎試樣在覆層焊縫熔合線處發(fā)生開裂，腐蝕試驗數(shù)據(jù)也偏大；第3組4件側(cè)彎試樣均合格，腐蝕數(shù)據(jù)較小。

3組試驗中焊接接頭的力學(xué)性能數(shù)據(jù)和腐蝕數(shù)據(jù)見表5。

表5 焊接接頭力學(xué)性能及腐蝕試驗結(jié)果

注：①拉伸試樣帶覆層;②腐蝕率單位 mm/y，即毫米/年。

通過對3組試驗焊接接頭性能綜合對比分析，可以看到，對于AL-6XN+Q345R復(fù)合鋼板過渡層、覆層若選用焊條電弧焊焊接，在力學(xué)性能檢驗中彎曲試驗容易不合格，在熔合線處易出現(xiàn)開裂。試樣表現(xiàn)出較大的腐蝕量可能與過渡層選用E309LMo有較大關(guān)系；而選用ERNiCrMo-3的鎢極氬弧焊焊接過渡層及覆層，焊接接頭力學(xué)性能均能通過后續(xù)檢驗，焊縫的耐蝕性也較好。因此，生產(chǎn)中應(yīng)優(yōu)選氬弧焊工藝。

焦油塔用AL-6XN+Q345R復(fù)合鋼板從2008年至今一直運行良好，開罐檢查未發(fā)現(xiàn)母材和焊縫腐蝕現(xiàn)象。

4 結(jié)論

(1) AL-6XN+Q345R復(fù)合鋼板，爆炸復(fù)合性良好，復(fù)合板的結(jié)合率可以達到NB/T 47002.1標準中的B1級要求。

(2) 爆炸復(fù)合鋼板消除應(yīng)力熱處理規(guī)范應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的使用要求來選擇。中溫熱處理可以更好保證材料的耐蝕性，但材料的屈服強度和抗拉強度偏高，斷后伸長率會偏低；而高溫熱處理則更有利于消除爆炸應(yīng)力。實際生產(chǎn)中宜選擇中溫熱處理。雖然中溫處理后抗拉強度和屈服強度偏高，斷后伸長率降低，但仍符合標準的規(guī)定，可以滿足容器制造過程中各工序加工的要求。

(3) AL-6XN+Q345R復(fù)合鋼板的焊接工藝制定時應(yīng)考慮，當過渡層和覆層采用焊條電弧焊時，對焊工操作技能和焊接過程控制要求很高，應(yīng)嚴格控制焊接熱輸入和稀釋率。生產(chǎn)中應(yīng)盡量采用鎢極氬弧焊。為保證焊縫金屬的耐蝕性，過渡層和覆層推薦選用9%Mo的ERNiCrMo-3或Mo含量更高的焊接材料。