Q295B/S32205復(fù)合管焊接工藝及焊接接頭力學(xué)性能

馮玉蘭 ，李 睿 ，張丙靜

（1.中鋼不銹鋼管業(yè)科技山西有限公司，山西 晉中030600；2.晉西車軸股份有限公司，太原 030027；3.山東堯程新材料科技有限公司，山東 棗莊277100）

不銹鋼復(fù)合材料是由低碳鋼或低合金鋼和不銹鋼材料通過一定的工藝復(fù)合而成，其特點是同時具有兩種材料的優(yōu)良性能，另外在制作成本上比傳統(tǒng)的不銹鋼材料要低[1-4]。不銹鋼復(fù)合材料憑借其不銹鋼覆層的耐腐蝕性及低廉的價格被廣泛應(yīng)用于海洋、化工、能源、污水處理等領(lǐng)域。本次試驗所用復(fù)合材料為雙相不銹鋼S32205 與碳鋼Q295B 復(fù)合。雙相不銹鋼覆層材料在焊管的外壁，主要作用為耐海水腐蝕；基層碳鋼在焊管的內(nèi)壁，具有一定強度，起支撐的作用。

1 試驗材料

1.1 試驗材料

試驗材料為Q295B+S32205 不銹鋼復(fù)合板，厚度（16+4）mm，基層碳鋼 Q295B 厚度 16 mm，不銹鋼覆層S32205 厚度為4 mm。試板尺寸（長×寬×厚）為 500 mm×350 mm×（16+4）mm，數(shù)量 2 塊。

1.2 試驗用母材化學(xué)成分及其力學(xué)性能

試驗材料為秦皇島首秦金屬材料有限公司生產(chǎn)的Q295B+S32205 復(fù)合板，對原材料的理化性能進(jìn)行復(fù)檢，化學(xué)成分見表1。力學(xué)性能檢測結(jié)果見表2。

表1 試驗用母材的化學(xué)成分

表2 環(huán)境溫度為20℃時母材的力學(xué)性能

2 焊接工藝

2.1 焊接坡口形式

焊接試樣的單邊坡口形狀及焊接道次分布如圖1所示。坡口設(shè)計為Y 形坡口，以碳鋼基層為基準(zhǔn)面刨焊接坡口，鈍邊5 mm，單邊破口角度 37.5°（組對后焊縫坡口角度為 75°）。

圖1 焊接試樣單邊坡口形狀及焊接道次分布示意圖

2.2 焊接方法、順序及設(shè)備

焊接方法為PAW+SAW+TIG。焊接順序：先焊基層、再焊過渡層、最后焊覆層。圖1（b）中位置1為 PAW 不填絲打底焊接，位置2～3 采用SAW 填充焊接基層碳鋼，位置4 采用TIG 填絲焊接過渡層，位置5 采用TIG 填絲焊接覆層雙相不銹鋼。

焊接設(shè)備：邊梁P+S/單絲埋弧焊縫焊接系統(tǒng)、邊梁雙槍P+T 縱環(huán)焊縫焊接系統(tǒng)；系統(tǒng)包含有德國進(jìn)口的等離子焊接電源PAW 522 DC-P、TIG 焊接電源TETRIX 521。

2.3 焊接材料

由于Q295B 與S32205 兩者的物理性能及化學(xué)成分差異很大，焊接時在兩種材料的結(jié)合面處產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，同時雙相不銹鋼S32205 中含有Mo，因此過渡層焊接采用熱膨脹系數(shù)等物理性能介于Q295B 與S32205 兩者之間，且能阻止基層碳鋼中C 向復(fù)合層擴散的鎳基ER309MoL 作為焊接填充材料，以保證復(fù)合板焊縫質(zhì)量。基層SAW 焊接選用焊絲 H08MnA，焊劑 SJ101；雙相不銹鋼S32205 覆層TIG 焊接選用焊絲ER2209。

2.4 焊前工藝要求

（1）焊縫清理。清理焊縫坡口及兩側(cè)30 mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹、氧化皮等污物。

（2）點焊組對。采用手工 TIG 不填絲點焊組對，背面用純氬保護，且反變形角度約 20°。點焊組對后的焊接試板如圖2所示。

（3）檢查焊接材料牌號及設(shè)備運行，以保證焊接試驗的順利進(jìn)行。

圖2 點焊組對后的焊接試板

2.5 焊接工藝要求及參數(shù)

（1）嚴(yán)格控制層間溫度≤100℃。

（2）層間清理。采用不銹鋼鋼絲輪清理焊縫外側(cè)坡口及兩側(cè)30 mm 范圍內(nèi)的污物，打磨去除氧化皮直至露出金屬光澤。

（3）過渡層是保證復(fù)合板焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵。本次工藝試驗方案中，基層碳鋼SAW 焊縫的高度及坡口兩側(cè)的完整性是保證過渡層焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵，復(fù)合板P+S 基層焊后焊縫表面成形如圖3所示。經(jīng)過多次焊接試驗，得到一組較為合理的工藝參數(shù)，具體焊接工藝參數(shù)見表3。

圖3 復(fù)合板P+S基層焊后焊縫表面

表3 焊接工藝參數(shù)

由圖3可見，基層碳鋼PAW+SAW 焊接完成后，焊縫高度在距離復(fù)合層分界面1.0～1.5 mm，且焊縫坡口兩側(cè)完好無損，為后期過渡層的焊接及整個焊縫的焊接質(zhì)量提供重要保障[5-7]。

3 焊縫性能檢測及分析

3.1 無損檢測

試板焊接完成后，對焊縫進(jìn)行目視及X 射線無損檢測，未發(fā)現(xiàn)有咬邊、氣孔、未熔合、裂紋等缺陷，焊縫質(zhì)量滿足GB/T 3323—2005 Ⅰ級要求[8]。

3.2 力學(xué)性能測試

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47014—2011 《承壓設(shè)備焊接工藝評定》，本試驗采用鋼研納克檢測技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的30T 電子拉伸試驗機，進(jìn)行彎曲、拉伸試驗；采用500 J 低溫沖擊試驗機進(jìn)行沖擊試驗[9]，按照標(biāo)準(zhǔn) GB/T 4334—2008 E 法做不銹鋼晶腐試驗。

3.2.1 彎曲（側(cè)彎）試驗

側(cè)彎試驗試樣尺寸如圖4所示，試樣寬度為母材原始厚度20 mm，試樣厚度 10 mm，長度160 mm。試驗前采用機械消磨法去除試樣內(nèi)外焊縫的余高。

圖4 側(cè)彎試樣尺寸

試驗測試條件：彎曲直徑40 mm，彎曲角度180°。試驗執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn) GB/T 232—2010，結(jié)果如圖5所示。顯微鏡下放大10 倍觀察焊縫外表面無裂紋，試驗結(jié)果合格。另外，目視彎曲試樣外表面，焊縫的熔合線清晰可見，可明顯觀察到焊縫過渡層厚度及熔合在基層和復(fù)合層的位置，滿足工藝要求。

圖5 側(cè)彎試樣實物照片

3.2.2 拉伸試驗

拉伸試驗試樣尺寸如圖6所示，試樣長度230 mm，寬度 38 mm，厚度 20 mm。試驗前采用機械消磨法去除試樣內(nèi)外焊縫的余高。

圖6 焊縫拉伸試樣尺寸

試樣測試條件：加載速率5 mm/min，加載載荷 10 kN。試驗執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn) GB/T 228.1—2010，焊縫拉伸后的試樣照片如圖7所示。焊接接頭力學(xué)性能測試結(jié)果見表4。

圖7 焊縫拉伸后的試樣照片

表4 焊接接頭力學(xué)性能測試結(jié)果

根據(jù)國標(biāo)NB/T 47014—2011 《承壓設(shè)備焊接工藝評定》 第 6.4.1.5.4（b）條中，拉伸試驗合格指標(biāo)規(guī)定：試驗?zāi)覆臑閮煞N金屬材料代號時，每個（片）試樣的抗拉強度應(yīng)不低于本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的兩種母材抗拉強度最低值中的最小值。以上所述合格指標(biāo)結(jié)合表2數(shù)據(jù)可知，本次拉伸試驗的合格指標(biāo)為：抗拉強度應(yīng)≥623 MPa，屈服強度≥450 MPa，延伸率≥25%。

從表4試驗結(jié)果可知：屈服強度480 MPa高于母材要求的最低屈服強度450 MPa，抗拉強度674 MPa 高于母材要求的最低值623 MPa，延伸率35%大于母材要求的最低值25%，焊接接頭的拉伸性能滿足工藝評定要求。拉伸試樣斷裂的位置在母材處，說明焊縫性能較好。

3.2.3 沖擊試驗

沖擊試驗試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm（厚×寬×長），V 形缺口試樣。分別在焊接接頭的焊縫區(qū)和熱影響區(qū)取樣進(jìn)行沖擊試驗，試樣沖擊功平均值分別為 192.2 J 與 184.7 J。根據(jù)國標(biāo)NB/T 47014—2011 《承壓設(shè)備焊接工藝評定》 第6.4.1.7.3 條中，沖擊試驗合格值應(yīng)≥34 J 的要求，本次試驗沖擊功均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于34 J，試驗合格。沖擊試樣實物照片如圖8所示。

圖8 沖擊試樣實物照片

3.3 耐腐蝕性能檢測

本試驗是針對復(fù)合板的覆層既S32205 不銹鋼層進(jìn)行的晶間腐蝕試驗，采用化學(xué)浸蝕法進(jìn)行試驗，腐蝕溶液用硫酸－硫酸銅溶液，煮沸后執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4334—2008。

硫酸－硫酸銅溶液配比方案：將100 g 符合GB/T 665 的分析純硫酸銅（CuSO4·5H2O）溶解于700 mL 蒸餾水或去氯離子水中，再加入100 mL符合GB/T 625 的優(yōu)級純硫酸，用蒸餾水或去氯離子水稀釋至1 000 mL，配制成硫酸－硫酸銅溶液。

試驗方法及參數(shù)詳見表5。按照表5中的試驗方法和參數(shù)進(jìn)行腐蝕試驗，煮沸16 h 后彎曲。彎曲試驗用彎芯直徑5 mm，彎曲角度180°，彎曲后采用10 倍放大鏡觀察焊縫外表面，無裂紋發(fā)生，試驗合格，說明焊接工藝合理。彎曲后晶間腐蝕試樣照片如圖9所示。

表5 晶間腐蝕試驗方法及參數(shù)

圖9 彎曲后晶間腐蝕試樣照片

4 結(jié)束語

本研究分析了Q295B+S32205 雙相不銹鋼復(fù)合板的焊接性，并通過多次試驗得到合理的焊接工藝，焊接后對焊縫進(jìn)行X 射線無損檢測，同時進(jìn)行拉伸、彎曲、沖擊、晶間腐蝕理化性能檢測，各項性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。對于不銹鋼層在管外壁的不銹鋼復(fù)合管，焊接坡口形式為Y 形，通過SAW 焊接方式控制基層焊縫的厚度及焊縫稀釋率的焊接工藝方案可滿足整個焊縫的性能要求，是合理的焊接工藝方案。本試驗工藝方案、焊接工藝規(guī)程滿足石油化工不銹鋼復(fù)合鋼焊接規(guī)程SH/T 3527—2009，焊縫各項理化性能滿足焊接工藝評定標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47014—2011，可用于實際生產(chǎn)中。