16MnR+0Cr13不銹鋼復(fù)合鋼板接技術(shù)

劉偉

摘 要：針對不銹鋼復(fù)合鋼板16MnR+0Cr13，從焊接性、焊接坡口、焊接材料、焊接技術(shù)要求及焊接缺陷等幾個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，并結(jié)合我公司承擔(dān)的某化工裝置的實(shí)際生產(chǎn)總結(jié)了不銹鋼復(fù)合鋼板焊接技術(shù)、特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：不銹鋼復(fù)合鋼板;性能;坡口形式;焊接技術(shù);焊接缺陷

近年來，隨著我國石油化工工業(yè)的發(fā)展，進(jìn)口原油的含硫量不斷增加，原油品質(zhì)不斷下降，為克服含硫原油對設(shè)備的腐蝕問題，某些煉油設(shè)備的殼體材料選用了復(fù)合鋼板，其復(fù)層不銹鋼和工作介質(zhì)相接觸，具有良好的耐腐蝕性能，而強(qiáng)度主要靠基層來保證，降低了綜合制造成本。

我公司承擔(dān)的某化工裝置的減壓塔采用不銹鋼復(fù)合鋼制造，殼體材質(zhì)為16MnR+0Cr13，厚度分別為14+3mm、18+3mm、22+3mm、26+3mm、28+3mm。

1 不銹鋼復(fù)合鋼焊接性分析

母材16MnR+0Cr13中16MnR部分為基層，主要為滿足設(shè)備的強(qiáng)度及剛度要求，0Cr13部分為覆層，厚度為3mm主要滿足介質(zhì)對耐蝕性的要求。母材16MnR+0Cr13焊接時(shí)，基層與覆層應(yīng)分開進(jìn)行。焊接時(shí)分別選用各自適用的焊接材料進(jìn)行施焊。由于基層和覆層焊接材料存在較大差異，因此稀釋作用強(qiáng)烈，使得焊縫中奧氏體形成元素減少，含碳量增多，增大結(jié)晶裂紋傾向，焊接熔合區(qū)出現(xiàn)馬氏體組織而導(dǎo)致硬度和脆性增加，同時(shí)由于基層和覆層含鉻量差別較大，促使碳向覆層遷移擴(kuò)散，在16MnR與0Cr13的交界處形成增碳層和脫碳層，加速熔合區(qū)脆化和另一側(cè)熱影響區(qū)軟化。因此不銹鋼復(fù)合鋼焊接時(shí)必須防止產(chǎn)生脆硬馬氏體，保證其力學(xué)性能，復(fù)層焊縫必須保證焊縫的合金成分，確保其耐腐蝕性能。

2 坡口設(shè)計(jì)、加工及組對

2.1 確定不銹復(fù)合鋼板焊接接頭坡口形式的原則

由對不銹復(fù)合鋼板焊接接頭的性能的要求，決定了確定不銹復(fù)合鋼板坡口形式的原則：

①填充金屬盡量少;②避免產(chǎn)生焊接缺陷;③減少焊接應(yīng)力與變形;④有利于焊接防護(hù);⑤過渡層焊縫金屬的稀釋最小;⑥焊接操作方便。

2.2 坡口設(shè)計(jì)

不銹鋼復(fù)合鋼板的坡口設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)填充金屬量少、熔合比小、盡可能減少過渡層焊縫金屬的稀釋率等原則。壁厚為14+4的不銹鋼復(fù)合鋼板坡口型式采用單V型坡口型式，具體坡口型式及尺寸見圖1，其他壁厚的復(fù)合鋼板坡口型式采用X型坡口，具體坡口型式及尺寸見圖2。

坡口形式的特點(diǎn)如下：

①焊接操作方便，有利于焊接時(shí)進(jìn)行保護(hù)，焊接基層時(shí)不會(huì)傷及復(fù)層材料;②符合填充量盡量少的原則;③過渡層焊接時(shí)符合對合金元素稀釋最小的原則;④基層焊縫焊接完畢進(jìn)行射線檢測，處理完不允許的缺陷后再焊接過渡層和復(fù)層，可最大限度地避免過渡層和復(fù)層熔敷金屬不重復(fù)受熱，從而保證復(fù)層焊縫的耐腐蝕性能;⑤使復(fù)層材料避開了焊接基層時(shí)的熱影響區(qū)，且最后堆焊復(fù)層焊縫，保證了復(fù)層材料及復(fù)層熔敷金屬的耐腐蝕性能;⑥基層與復(fù)層完全分開，便于焊工實(shí)際操作;⑦在復(fù)層側(cè)設(shè)計(jì)30斜角，可以防止焊縫夾渣和未熔合缺陷。

2.3 坡口加工

坡口采用機(jī)械進(jìn)行加工或用等離子切割坡口，用等離子切割時(shí)，復(fù)層朝下，不得將切割的熔渣落在復(fù)層上，加工完的坡口應(yīng)用不銹鋼鋼絲刷清理，以保證表面光滑。坡口不得有裂紋和分層的存在。否則應(yīng)做修補(bǔ)。修補(bǔ)時(shí)應(yīng)用砂輪機(jī)磨掉缺陷，用A302焊條堆焊過渡層和復(fù)層，焊后磨平修光。

2.4 坡口組對

坡口組對應(yīng)以復(fù)層為基準(zhǔn)，復(fù)層等厚時(shí)對口錯(cuò)邊量不能大于復(fù)層厚度的50%，且不大于2mm，當(dāng)復(fù)層厚度不等厚時(shí)對口錯(cuò)邊量按較小的復(fù)層厚度計(jì)算。坡口及其兩側(cè)各20mm范圍內(nèi)進(jìn)行表面清理，去除油污、水、銹和及其氧化皮等對焊接有害的物質(zhì)。復(fù)層距坡口100mm范圍內(nèi)涂防飛濺涂料。

3 焊接材料的選擇

3.1 基層焊接材料選擇

16MnR屬于低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼，原則上選用的焊接材料與單一的鋼材選用的焊接材料相同，手工電弧焊選用堿性低氫型焊條E5015（J507），這種焊條抗裂性比較好。

3.2 過渡層和復(fù)層焊接材料選擇

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求馬氏體不銹鋼復(fù)合鋼過渡層和復(fù)層的焊接材料可以選用奧氏體焊接材料。25%Cr-13Ni%型焊條及可以補(bǔ)充基層對復(fù)層的稀釋，防止產(chǎn)生硬脆馬氏體，又能保證復(fù)層焊縫所需的合金成分，所以過渡層和復(fù)層手工電弧焊選用焊條E309-16（A302）。A302焊條化學(xué)成分見表1。

3.3 焊接要求

過渡層的焊接屬于異種鋼焊接，它是保證不銹鋼復(fù)合鋼板焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，也是不銹鋼復(fù)合鋼板焊接難度較大的區(qū)域。焊接過渡層時(shí)，要在保證熔合良好的情況下盡量減少基層金屬的熔入量，為此應(yīng)采用較小直徑的焊條和較小的焊接線能量，多道不擺動(dòng)快速焊，減少基層金屬的熔入量，減少焊縫金屬的稀釋率。過渡層焊縫應(yīng)同時(shí)熔合基層焊縫、基層母材和復(fù)層母材，并且必須完全焊滿基層焊縫和基層母材，不能有裸露的基層焊縫和基層母材直接和復(fù)合層相焊。

復(fù)層焊接前，必須將過渡層焊縫表面和坡口邊緣清理干凈。復(fù)層焊接時(shí)，采用不擺動(dòng)快速焊，并且采用較小的焊接線能量。必須嚴(yán)格控制復(fù)層焊接時(shí)的電流，防止焊接復(fù)層時(shí)熔透過渡層焊縫，復(fù)層的焊接應(yīng)不少于2層，有利于獲得和母材相同的性能。不銹鋼復(fù)合層焊接時(shí)必須控制層間溫度，一般不超過100℃。

為了保證不銹鋼復(fù)合鋼板原有的綜合性能，應(yīng)對基層、過渡層和復(fù)層分別進(jìn)行焊接。

先焊接基層，先焊復(fù)層側(cè)基層，采用手工電弧焊，用直徑為Ф3.2的J507焊條打底，焊接電流90～120A，焊接速度5cm/min，焊接時(shí)其焊道不得觸及和熔化復(fù)層?；鶎?，其他焊道用直徑為Ф4.0的J507焊條焊接至基層表面，焊接電流130～150A，焊接速度6～10cm/min?；鶎雍附油戤吅?，徹底清除過渡層熔渣及其表面附著層，并用砂輪機(jī)修磨平整，不允許有凹槽及凸起，打磨干凈后用直徑為Ф3.2的A302的焊條焊接過渡層，焊接電流90～120A，焊接速度為5～10cm/mm。過渡層焊接完畢后，用直徑為Ф3.2的A302的焊條焊接復(fù)層，焊接電流為90～120A，焊接速度為5～10cm/mm。

3.4 焊接工藝參數(shù)

根據(jù)JB4708《鋼制壓力容器焊接工藝評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)的要求，并結(jié)合施工現(xiàn)場實(shí)際情況，16MnR+0Cr13不銹復(fù)合鋼板的焊接工藝評(píng)定項(xiàng)目見表2。

工藝評(píng)定試驗(yàn)包括焊接接頭的拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果都滿足設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

根據(jù)16MnR+0Cr13不銹復(fù)合鋼板的焊接工藝評(píng)定，制定焊接工藝見表3。

4 焊縫檢驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求，基層焊接完畢后，先進(jìn)行無損檢測，檢測比例為100%射線和20%的超聲;過渡層焊接前需將基層焊縫待堆面打磨平，并對打磨過的基層表面進(jìn)行無損檢測，檢測比例為100%的磁粉檢測;復(fù)層焊接完畢后，需對復(fù)層焊縫進(jìn)行無損檢測，檢測比例為100%的滲透檢測。通過對焊縫的檢測，焊縫合格率達(dá)到了98%。

5 不合格焊縫返修

5.1 基層焊縫返修

基層焊縫返修時(shí)，應(yīng)盡量在基層側(cè)工作，確定缺陷位置后，采用機(jī)械方法或碳弧氣刨將缺陷徹底清除，必要時(shí)可增加磁粉或著色探傷，確認(rèn)缺陷被完全清除后，采用原工藝或規(guī)定的工藝補(bǔ)焊。去除缺陷時(shí)應(yīng)注意保護(hù)復(fù)合板表面，若采用碳弧氣刨，應(yīng)在焊接前將滲碳層和氧化皮修磨清理干凈。

5.2 復(fù)層和過渡層焊縫返修

返修復(fù)層焊縫時(shí)，優(yōu)先采用機(jī)械的方法清除缺陷，若缺陷離表面較深，可采用碳弧氣刨的方式，先刨到發(fā)現(xiàn)缺陷，根據(jù)缺陷性質(zhì)，如缺陷為裂紋，用機(jī)械方法清除;如缺陷為氣孔、夾渣，用碳弧氣刨清除缺陷，碳弧氣刨刨到的其他部位應(yīng)用砂輪機(jī)打磨至少2mm深度，去除滲碳層，增加PT檢測，確認(rèn)缺陷清除后采用原工藝或規(guī)定的工藝堆焊過渡層及復(fù)層，焊后打磨堆焊表面呈圓滑過渡或磨平。

需要在復(fù)層側(cè)返修基層焊縫時(shí)，碳鋼焊條不得在不銹鋼（復(fù)層）上引弧，碳鋼焊道不得接觸不銹鋼（復(fù)層），優(yōu)先采用機(jī)械方法清除缺陷，其他參考基層焊縫返修進(jìn)行。當(dāng)基層返修厚度超過基層母材厚度的1/2時(shí)，還應(yīng)增加無損檢測，檢驗(yàn)項(xiàng)目按設(shè)備設(shè)計(jì)圖紙及技術(shù)條件的規(guī)定執(zhí)行，檢驗(yàn)合格后參考復(fù)層焊縫返修要求進(jìn)行過渡層和復(fù)層的堆焊。

6 不銹鋼復(fù)合鋼板主要焊接問題及防止措施

不銹鋼復(fù)合板焊接的關(guān)鍵在于怎樣提高焊縫一次合格率，減少焊縫返修次數(shù)，過渡層裂紋是主要的焊接缺陷，其原因?yàn)檫^渡層焊接時(shí)過大的線能量致使焊縫熔合比增大，位于基層、過渡層熔合線附近易形成硬而脆的馬氏體組織，降低了焊接接頭的塑韌性，伴隨著焊接熱應(yīng)力的影響，而產(chǎn)生裂紋。這種缺陷不易被發(fā)現(xiàn)，只有通過無損檢測才能發(fā)現(xiàn)。不銹鋼復(fù)合板對接接頭過渡層或覆層焊完后應(yīng)每層進(jìn)行PT檢測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷及時(shí)處理。

7 結(jié)束語

不銹鋼復(fù)合鋼板在焊接施工中要嚴(yán)格按焊接工藝規(guī)程執(zhí)行，正確理解它的焊接工藝特點(diǎn)，切實(shí)把焊接工藝參數(shù)控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，完全可以獲得滿意的焊接質(zhì)量，從而保證不銹鋼復(fù)合鋼板設(shè)備各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足要求，設(shè)備投用后運(yùn)行狀態(tài)良好，證明所述工藝具有一定的先進(jìn)性和實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭建西，張連寶，何惠玲等.不銹鋼復(fù)合鋼板的焊接工藝[J].焊接，2005（1）.