半自動(dòng)熔化極氣體保護(hù)焊在不銹鋼復(fù)合板覆層堆焊中的應(yīng)用

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(1.大慶油田工程建設(shè)有限公司，黑龍江 大慶 163453；2.大慶油田礦區(qū)服務(wù)事業(yè)部，黑龍江 大慶 163712)

某集氣站油田伴生氣回收系統(tǒng)工程中多臺(tái)容器內(nèi)的介質(zhì)為天然氣、污水、混合烴及CO2，腐蝕性較強(qiáng)。若容器材料選用碳鋼，在長周期運(yùn)行中介質(zhì)會(huì)對(duì)容器產(chǎn)生強(qiáng)腐蝕，造成設(shè)備提前失效。若容器材料完全采用不銹鋼，同等強(qiáng)度下設(shè)備厚度增加，材料成本會(huì)大幅提升。因此設(shè)計(jì)中這些容器的材料選用了不銹鋼復(fù)合板，基層為具有良好焊接性能的低合金鋼Q345R[1-3]，以保證設(shè)備運(yùn)行所需的強(qiáng)度指標(biāo);覆層為具有良好耐酸抗腐蝕性能的S31603，可以有效降低設(shè)備的材料成本。此批次不銹鋼復(fù)合板容器厚度(基層+覆層)為(10+3)～(30+3) mm。大慶油田工程建設(shè)有限公司以往填充復(fù)合層多采用焊條電弧焊方法，焊工操作方便，焊接作業(yè)容易實(shí)施。但填充復(fù)合層都是在容器內(nèi)部施焊，采用焊條電弧焊焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的煙塵，工作環(huán)境極其惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度大，焊縫質(zhì)量不易控制。且此批次所有不銹鋼復(fù)合板容器的填充焊縫總長將近300 m，堆焊工作量較大。

筆者在分析材料焊接性和焊接難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用半自動(dòng)熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)方法進(jìn)行此批次不銹鋼復(fù)合板的覆層堆焊，制訂了更加合理的焊接工藝，在保證不銹鋼復(fù)合板焊縫質(zhì)量的同時(shí)提高了焊接生產(chǎn)效率[4-9]。

1 不銹鋼復(fù)合板焊接性分析

對(duì)Q345R的焊接已有成熟的焊接工藝，可根據(jù)設(shè)備的直徑、厚度分別采用埋弧焊、焊條電弧焊及鎢極氬弧焊，并根據(jù)其化學(xué)成分及力學(xué)性能選取相應(yīng)的焊接材料[10-13]。

不銹鋼復(fù)合板焊接的主要難點(diǎn)是由低合金鋼向不銹鋼過渡部分的焊接。焊接過渡層時(shí)，基層金屬對(duì)填充材料有稀釋作用，極易產(chǎn)生貧鉻區(qū)，過渡稀釋的焊縫金屬極易形成脆硬的馬氏體組織，易產(chǎn)生裂紋。因此過渡層焊接宜選用Cr、Ni元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高的焊接材料，以抵消基層金屬對(duì)填充材料的稀釋作用，防止硬脆組織的產(chǎn)生[12-16]。此外，在不銹鋼復(fù)合板焊接過程中還要保證待堆焊工件表面的清潔。

2 不銹鋼復(fù)合板焊接坡口設(shè)計(jì)

2.1 坡口形式

不銹鋼復(fù)合板的焊接順序一般是先焊接基層低合金鋼，再焊接復(fù)合層[10-16]。因此在焊接中要考慮兩種材料的有效分離，以免焊金屬材料與焊接材料不匹配，直接導(dǎo)致產(chǎn)生焊接缺陷。以往在大直徑不銹鋼復(fù)合板焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用將覆層材料去除，并向基層側(cè)增加1～2 mm余量的坡口結(jié)構(gòu)形式，見圖1。

圖1 常用不銹鋼復(fù)合板對(duì)接焊縫坡口結(jié)構(gòu)

根據(jù)實(shí)際焊接中的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)坡口尖角處是焊接缺陷，特別是未焊透缺陷的高發(fā)區(qū)，經(jīng)常造成不必要的返修。為此將坡口形式進(jìn)行了微量調(diào)整，即增大溝槽角度，減緩尖角程度，從而提高了焊接的熔合性，具體結(jié)構(gòu)形式見圖2。

圖2 微調(diào)后不銹鋼復(fù)合板對(duì)接焊縫坡口結(jié)構(gòu)

對(duì)此次不銹鋼復(fù)合板容器制造項(xiàng)目中一些直徑小、厚度薄的設(shè)備，選用外側(cè)鎢極氬弧焊打底，單面焊雙面成型方式，以減少覆層的填充量，具體坡口結(jié)構(gòu)形式見圖3。

圖3 對(duì)接焊縫單面焊雙面成型坡口結(jié)構(gòu)

焊接之前要清除坡口面及其兩側(cè)20 mm范圍內(nèi)的銹跡、油污以及氧化皮等影響焊接質(zhì)量的雜質(zhì)，尤其是要采用丙酮清理覆層油污。為了防止焊接飛濺物損傷覆層表面，削弱復(fù)合層的耐蝕性，焊前在坡口兩側(cè)各150 mm范圍內(nèi)均勻涂刷不含Cl-的焊接防飛濺劑。

2.2 坡口加工

在實(shí)際制造過程中一般采用機(jī)械冷加工方法進(jìn)行不銹鋼復(fù)合板坡口的制備，即在平板下料時(shí)用刨邊機(jī)或者帶有成型刀具的銑邊機(jī)對(duì)鋼板進(jìn)行坡口加工，加工之后檢查坡口尺寸，各尺寸必須符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

3 不銹鋼復(fù)合板焊接工藝要點(diǎn)

3.1 焊接方法

綜合考慮以往工程經(jīng)驗(yàn)、公司現(xiàn)有設(shè)備資源以及焊接工藝評(píng)定儲(chǔ)備情況，依據(jù)設(shè)備的直徑、厚度，確定不銹鋼復(fù)合板的基層焊接分別采用埋弧焊、焊條電弧焊及鎢極氬弧焊，可機(jī)動(dòng)采用熔化極氣體保護(hù)焊。為提高工效和焊接成型質(zhì)量，擬使用福尼斯TIME-5000焊機(jī)對(duì)覆層內(nèi)側(cè)待堆焊層進(jìn)行半自動(dòng)熔化極氣體保護(hù)焊。

3.2 焊接材料選用

覆層填充需要進(jìn)行2層堆焊，根據(jù)覆層材料化學(xué)成分及耐腐蝕性能特點(diǎn)，綜合考慮所選用的焊接方法，過渡層焊接采用?1.2 mm的ER309MoL焊絲，面層焊接采用?1.2 mm的ER316L焊絲。焊接材料化學(xué)成分見表1。

表1 焊接材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

在實(shí)際焊接過程中，氫在高溫下滲透性很強(qiáng)，氫的存在會(huì)使鋼組織變脆甚至形成微裂紋。同時(shí)，氫也是焊縫金屬中產(chǎn)生氣孔的主要因素，它可以從任何氣源進(jìn)入焊接熔池[4，12-13]。因此在不銹鋼復(fù)合板焊接之前一定要將焊絲表面的油、銹、水分及其他雜物清除干凈，焊條、焊劑要嚴(yán)格按烘干工藝烘干，隨用隨取。

3.3 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》[14]的要求，在焊接前進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，以驗(yàn)證所制訂工藝的正確性[12]。選取1塊厚10 mm的Q345R鋼板，規(guī)格為200 mm×200 mm×10 mm。將待堆焊面清理干凈至露出金屬光澤，磁粉檢測(cè)合格之后，完全按照所制訂的預(yù)焊接工藝規(guī)程進(jìn)行半自動(dòng)熔化極氣體保護(hù)焊，保護(hù)氣體為混合氣體。對(duì)每一層堆焊面進(jìn)行滲透檢測(cè)，合格后按照NB/T 47014—2011要求取樣加工試件，對(duì)堆焊試件進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)、堆焊層金屬化學(xué)成分測(cè)定并檢查熔合線及熱影響區(qū)的完好性，試驗(yàn)結(jié)果全部合格，滿足文獻(xiàn)[14-16]中的要求，驗(yàn)證了所制訂焊接工藝的正確性。

堆焊層化學(xué)成分分析結(jié)果見表2。

表2 堆焊層化學(xué)成分分析結(jié)果 %

3.4 焊接工藝參數(shù)確定

該批次不銹鋼復(fù)合板的焊接優(yōu)先選用了如圖3所示的單面焊雙面成型的外坡口形式，以盡量縮小內(nèi)側(cè)覆層溝槽的寬度，達(dá)到減少覆層堆焊金屬填充量的目的。

覆層焊接采用的是半自動(dòng)熔化極氣體保護(hù)焊。CO2氣體屬于氧化性氣體，高溫易分解，而焊接不銹鋼材料時(shí)尤其要注意CO2的滲碳作用，因此采用的保護(hù)氣為混合氣體——80%(體積分?jǐn)?shù))Ar+20%(體積分?jǐn)?shù))CO2。這樣既利用了惰性氣體不參與化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)，避免合金元素的燒損，又通過氧化性氣體的加入提高了電弧燃燒的穩(wěn)定性，提升了焊接工藝性[12-16]。

不銹鋼焊接時(shí)要注意控制焊接熱輸入，過高的焊接熱輸入會(huì)造成焊接接頭組織脆硬，導(dǎo)致焊縫開裂，降低堆焊層耐蝕性能。為此綜合使用了較小的焊接電流、較低的焊接電壓以及多道焊接、快速焊接等多種減少焊接熱輸入的方法，并在面層焊接過程中通過采用背面風(fēng)冷措施控制層間溫度，使層間溫度低于100 ℃。

不銹鋼復(fù)合板焊接時(shí)采用的半自動(dòng)熔化極氣體保護(hù)焊焊接工藝參數(shù)見表3。

表3 半自動(dòng)熔化極氣體保護(hù)焊焊接工藝參數(shù)

4 焊后檢驗(yàn)

按照制訂的焊接工藝完成試件焊接，焊縫成型良好，外觀檢查合格，覆層經(jīng)滲透檢測(cè)合格。應(yīng)用該焊接工藝進(jìn)行該批次容器的實(shí)際焊接，與傳統(tǒng)使用的焊條電弧焊相比生產(chǎn)效率提高2～3倍。按相應(yīng)的圖樣及標(biāo)準(zhǔn)要求，基層焊接完成后對(duì)焊縫進(jìn)行100%射線檢測(cè)，Ⅱ級(jí)一次合格率為100%。對(duì)基層待堆焊表面進(jìn)行磁粉檢測(cè)合格后，按制訂的焊接工藝焊接過渡層和面層，焊后進(jìn)行100%滲透檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。最終對(duì)堆焊焊縫進(jìn)行超聲檢測(cè)，并檢查堆焊焊縫與基材的貼合度，合格率均為100%[16]。

5 結(jié)語

根據(jù)不銹鋼復(fù)合板容器的實(shí)際情況，選擇了合理的坡口形式和高效的半自動(dòng)熔化極氣體保護(hù)焊焊接方法，并通過選用化學(xué)成分相匹配的焊接材料、確定適宜的焊接工藝參數(shù)和采取合理的焊接層間溫度控制措施，最終保證了不銹鋼復(fù)合板覆層堆焊的焊接質(zhì)量及耐蝕性能，同時(shí)大幅提高了焊接生產(chǎn)效率。