S22053與Q235B異種鋼焊接工藝評定

費張平，吳昌文，陳志華

1.宣城市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗中心 安徽宣城 242000

2.安徽賽德齊瑞生物科技有限公司 安徽宣城 242000

1 序言

安徽賽德齊瑞生物科技有限公司為某制藥企業(yè)制造兩臺15t合成釜，屬I類壓力容器。釜體直徑2400mm，夾套直徑2500mm；釜體材質(zhì)為S22053，厚度18mm；夾套材質(zhì)為Q235B，厚度12mm。因為該類材料為首次應(yīng)用，所以根據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》要求，壓力容器施焊前應(yīng)進行焊接工藝評定。根據(jù)NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》的規(guī)則，本次選用10mm厚的S22053和Q235B鋼板進行焊接工藝評定。

2 異種鋼焊接性分析

2.1 母材的化學(xué)成分和力學(xué)性能

S22053鋼板應(yīng)符合GB/T 24511—2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》要求，交貨狀態(tài)為固溶；Q235B鋼板應(yīng)符合GB/T 3274—2017《碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼熱軋鋼板和鋼帶》要求，交貨狀態(tài)為熱軋。兩種材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1、表2。

表1 S22053和Q235B的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 S22053和Q235B的力學(xué)性能

2.2 異種鋼的焊接特點

從表1中可以看出，S22053和Q235B的化學(xué)成分差別很大。因為焊縫化學(xué)成分取決于母材、焊接材料的成分及熔合比，所以母材成分固定，而選取的焊接材料其成分若偏向于S22053，這就造成了異種鋼焊接的常見問題——焊縫化學(xué)成分不均勻[1，2]。

異種鋼焊接的另一個問題就是焊接過程中，在雙相鋼（S22053）和碳素鋼（Q235B）的界面上發(fā)生碳遷移，在碳素鋼側(cè)脫碳使之軟化，在雙相鋼側(cè)增碳使之硬化，從而造成焊接接頭力學(xué)性能下降，在脫碳層處容易產(chǎn)生裂紋[3，4]。

根據(jù)異種鋼的焊接特點，需要選取適宜的焊接材料及焊接方法，制定合適的焊接工藝，采取精細的施工工藝措施，才能使焊接接頭的性能達到要求。

3 焊接工藝評定

3.1 焊接方法及焊接材料的選擇

壓力容器制造過程中常用的焊接方法很多，焊接方法的選擇需綜合考慮母材金屬的性質(zhì)、制造成本、焊接接頭的質(zhì)量及焊接位置等多方面因素。根據(jù)異種鋼焊接特點，為保證焊縫熔合比較小，本次選用異種鋼焊接最常用的焊條電弧焊。

綜合考慮母材化學(xué)成分、力學(xué)性能、施焊條件及碳的遷移等多方面因素，本次選用熔敷金屬為奧氏體-鐵素體組織的不銹鋼焊條ER2594。

3.2 焊接參數(shù)的選擇

按照利于焊透和保證焊接質(zhì)量的原則，需降低焊縫熔合比和減少碳的遷移，為此要選用合適的坡口形式和焊接參數(shù)。坡口形式及焊道分布如圖1所示，焊接參數(shù)見表3。

圖1 坡口形式及焊道分布

表3 焊接參數(shù)

3.3 工藝評定試板的焊接

（1）焊前準(zhǔn)備 焊前需認(rèn)真清理坡口及兩側(cè)，確保無影響焊接的污物；目視檢測坡口處無分層、裂紋等缺陷。

（2）試板焊接 根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及預(yù)焊接工藝規(guī)程（pWPS）要求，選擇安徽賽德齊瑞生物科技有限公司持證項目符合要求的焊工焊接試板。焊接過程中應(yīng)將焊條盡量靠近S22053側(cè)，避免出現(xiàn)放在焊縫中心處造成焊縫硬度大和靠近Q235B側(cè)造成該側(cè)熔合比高的問題。

（3）焊縫檢測 焊接過程中，每焊完一層必須進行外觀檢查，確定無缺陷后方可焊接下一層。焊接完成后，先進行外觀檢查，檢查合格后對焊縫進行100%X射線檢測，要求符合NB/T 47013.2—2015 II級合格要求。所有外觀檢查及無損檢測結(jié)果不得有裂紋。

3.4 焊接工藝評定試驗

根據(jù)NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》要求，在焊接工藝評定試件外觀檢查及無損檢測合格后，進行力學(xué)性能試驗和彎曲試驗。試樣的數(shù)量及制備應(yīng)符合NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》和NB/T 47016—2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗》要求：2個拉伸試樣，4個側(cè)彎試樣，9件沖擊試樣（焊縫區(qū)、S22053和Q235B側(cè)熱影響區(qū)各3個）。

制樣完成后委托有資質(zhì)的單位進行力學(xué)性能試驗和彎曲試驗。

（1）拉伸試驗 所取兩個試樣斷裂位置均在Q235B側(cè)，抗拉強度分別為441MPa、479MPa，均大于材料標(biāo)準(zhǔn)要求的370MPa，測試結(jié)果符合NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》要求。

（2）沖擊試驗（20℃） 焊縫區(qū)、S22053和Q235B側(cè)熱影響區(qū)各3個試樣的平均吸收能量分別為104J、173J、112J，測試結(jié)果符合NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》要求。

（3）彎曲試驗（彎芯直徑為40mm） 對側(cè)彎試樣彎曲到180°后，其拉伸面上的焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)，沿任何方向均無開口缺陷，測試結(jié)果符合NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》要求。

4 結(jié)束語

在焊接過程中，由于S22053和Q235B化學(xué)成分差異較大，故容易造成焊縫成分不均勻和因碳遷移而在脫碳層產(chǎn)生裂紋等問題。為此，針對兩異種鋼相焊接，采用焊條電弧焊和不銹鋼焊條ER2594，根據(jù)預(yù)焊接工藝規(guī)程制定的焊接規(guī)范制備焊接工藝評定試板，焊后經(jīng)檢查、檢測及力學(xué)性能試驗合格后，能夠驗證預(yù)焊接工藝規(guī)程的正確性，完成了焊接工藝評定報告。根據(jù)焊接工藝評定報告編制焊接工藝規(guī)程和焊接作業(yè)指導(dǎo)書，指導(dǎo)焊工對15t合成釜的異種鋼焊縫進行了焊接，取得了良好的效果。