SA-516 Gr.70+N04400 復(fù)合板焊接工藝研究

劉玉祥

（森松（江蘇） 重工有限公司上海分公司， 上海 201323）

0 前 言

近年來(lái)， SA-516 Gr.70+N04400 復(fù)合板在煉化行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。 該復(fù)合板基層采用SA-516 Gr.70 碳鋼， 復(fù)層為N04400 鎳銅合金， 通過(guò)爆炸復(fù)合或軋制復(fù)合的工藝， 使兩種材料達(dá)到原子間的結(jié)合[1-2]。 SA-516 Gr.70 材料價(jià)格便宜且具有較高的強(qiáng)度， 在工程上得到了廣泛的應(yīng)用。N04400 合金對(duì)氫氟酸、 氟氣、 熱濃堿液、 海水、 有機(jī)化合物等均有良好的抗腐蝕能力， 且一般不產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋[3-6]。 但由于N04400 合金主要元素為鎳、 銅， 均為貴金屬元素， 造成N04400 合金價(jià)格昂貴。 SA-516 Gr.70 與N04400兩種材料的復(fù)合克服了單種材料的某些缺點(diǎn)， 既保證了強(qiáng)度又保證了耐蝕性， 且節(jié)約了價(jià)格昂貴的合金材料， 降低了成本[7]。

1 材料化學(xué)成分

SA-516 Gr.70 為碳鋼板， 滿足ASME 標(biāo)準(zhǔn)II卷A 篇對(duì)于SA-516 的要求， 抗拉強(qiáng)度≥485 MPa，基體組織為鐵素體+少量的珠光體[8]， 其化學(xué)成分見表1。 N04400 為鎳銅合金， 滿足ASME 標(biāo)準(zhǔn)II 卷B 篇對(duì)于SB-127 N04400 的要求， 退火態(tài)抗拉強(qiáng)度≥485 MPa， 基體組織為單相奧氏體組織[9]， 其化學(xué)成分見表2。

表1 SA-516 Gr.70 碳鋼板的化學(xué)成分%

表2 SB-127 N04400 合金化學(xué)成分%

2 焊接性分析

SA-516 Gr.70+N04400 復(fù)合板的焊接， 涉及到基層SA-516 Gr.70 碳鋼間的焊接、 復(fù)層N04400合金的焊接及N04400 鎳銅合金與SA-516 Gr.70碳鋼間的焊接。 N04400 合金與SA-516 Gr.70 碳鋼焊接為異種鋼焊接， 其焊接需考慮以下四個(gè)問(wèn)題。

2.1 熱裂紋

N04400 合金為鎳銅二元合金， 其中銅的含量為28%～34%， 銅與鐵的熔點(diǎn)差異較大， 銅的熔點(diǎn)為1 084 ℃， 鐵的熔點(diǎn)為1 535 ℃， 銅與鋼焊接時(shí)， 鋼中的鐵凝固時(shí)， 焊縫中的銅還處于液態(tài)， 在焊接拉應(yīng)力的作用下易產(chǎn)生熱裂紋[10]。

2.2 熱影響區(qū)滲透裂紋

N04400 合金與碳鋼焊接過(guò)程中， 液態(tài)的銅為低熔點(diǎn)液體， 并且具有良好的流動(dòng)性， 結(jié)晶過(guò)程中， 液態(tài)的銅會(huì)向碳鋼焊接熱影響區(qū)微裂紋處浸潤(rùn)， 并發(fā)生毛細(xì)現(xiàn)象， 向微裂紋處持續(xù)滲透，又由于銅與鋼的互溶性差， 鋼對(duì)滲透的液態(tài)銅不能溶解， 在焊接應(yīng)力的作用下產(chǎn)生熱影響區(qū)裂紋， 稱之為滲透裂紋[11]。

2.3 焊接未熔合

N04400 合金中鎳的含量高達(dá)63%以上， 鎳元素固液相區(qū)間窄， 導(dǎo)致焊縫金屬的流動(dòng)性差，具有熔深淺的特點(diǎn)。 與碳鋼焊接時(shí)， 易發(fā)生未熔合現(xiàn)象， 焊接時(shí)， 應(yīng)采用微擺動(dòng)的焊接操作手法。

2.4 弧坑裂紋

N04400 合金的焊接具有和其他鎳基合金焊接相同的弧坑裂紋特性， 焊接收弧時(shí)， 其弧坑受多向拉應(yīng)力的作用， 產(chǎn)生焊接弧坑裂紋。 焊接收弧時(shí)， 弧坑需要填滿， 焊槍滯后斷氣， 保證熔池完全冷卻下來(lái)。

3 焊接材料選擇

與N04400 化學(xué)成分相匹配的焊材牌號(hào)為ERNiCu-7， N04400 合金與碳鋼之間的焊接采用ERNiCu-7 焊材時(shí)， 焊縫極易產(chǎn)生熱裂紋，碳鋼側(cè)熱影響區(qū)容易產(chǎn)生滲透裂紋， 因此，N04400 合金與碳鋼之間焊接采用牌號(hào)為ERNi-1 的純鎳焊絲作為中間過(guò)渡層， 耐蝕層采用牌號(hào)為ERNiCu-7 的焊絲。 鎳與鋼有良好的互溶性， 鎳與銅也可以無(wú)限互溶[12-13]， 選用牌號(hào)為ERNi-1 的焊材作為過(guò)渡層可有效解決銅與鋼之間焊接熱裂紋及滲透裂紋的問(wèn)題。

4 堆焊工藝評(píng)定試驗(yàn)

堆焊工藝評(píng)定試驗(yàn)采用規(guī)格為300 mm×300 mm×10 mm 的SA-516 Gr.70 碳鋼作為基板， 采用手工GTAW 焊接方法， 過(guò)渡層焊接材料為ERNi-1 焊絲， 焊絲規(guī)格為Φ2.4 mm，耐蝕層焊接材料為ERNiCu-7 焊絲， 焊絲規(guī)格為Φ2.4 mm。

4.1 評(píng)定試板堆焊

評(píng)定試板堆焊過(guò)程中， 過(guò)渡層的層間溫度不高于150 ℃， 復(fù)層的層間溫度不高于90 ℃。ERCuNi-7 焊絲在堆焊后， 其化學(xué)成分中的鐵元素含量容易偏高， 為了更好的控制焊接稀釋率，保證堆焊后化學(xué)成分， 焊接線能量不宜過(guò)高， 焊道搭接量控制在焊道寬度的50%～70%， 對(duì)焊道進(jìn)行清理時(shí)不宜采用鋼絲輪或鋼絲刷， 避免鋼絲輪或鋼絲刷上的鐵元素過(guò)渡到堆焊層上， 影響堆焊化學(xué)成分， 宜采用全新的葉輪片進(jìn)行清理， 具體焊接工藝參數(shù)見表3。

表3 GTAW 堆焊焊接工藝參數(shù)

4.2 理化試驗(yàn)

（1） 彎曲試驗(yàn)

對(duì)堆焊試板取彎曲試樣， 對(duì)試樣進(jìn)行側(cè)向彎曲試驗(yàn)， 彎頭直徑為40 mm， 彎曲角度為180 °， 試樣彎曲后， 彎曲面的焊縫及熱影響區(qū)均無(wú)裂紋。

（2） 硬度試驗(yàn)

采用數(shù)顯維氏硬度計(jì)對(duì)試板截面進(jìn)行硬度檢測(cè)， 檢測(cè)結(jié)果見表4。

表4 試板截面不同位置維氏硬度（HV10)

（3） 化學(xué)成分分析

對(duì)距熔合線3 mm 位置處進(jìn)行化學(xué)成分分析，采用直讀式光譜儀檢測(cè)， 檢測(cè)結(jié)果見表5， 滿足ASME SFA-5.14 標(biāo)準(zhǔn)中ERNiCu-7 焊絲成分要求。

表5 距熔合線3 mm 位置處化學(xué)成分%

（4） 宏觀及顯微組織形貌分析

取焊縫截面試樣， 打磨拋光后， 采用5%硝酸酒精溶液和王水溶液侵蝕， 觀察其宏觀形貌， 焊縫宏觀形貌如圖1 所示。 由圖1可以看出， 焊縫金屬與母材熔合良好， 無(wú)裂紋、 未熔合、 未焊透等缺陷。 對(duì)過(guò)渡層熔深進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得熔深為0.6 mm。

圖1 焊縫宏觀照片

在顯微鏡下放大200 倍觀察， 焊縫、 熱影響區(qū)均未見顯微裂紋及其他缺陷， SA-516 Gr.70焊縫及熱影響區(qū)組織形貌如圖2 所示。

圖2 SA-516 Gr.70 焊縫及熱影響區(qū)顯微組織形貌

5 SA-516 Gr.70+N04400 復(fù)合板焊接

5.1 坡口設(shè)計(jì)

SA-516 Gr.70+N04400 復(fù)合板的焊接， 先焊接SA-516 Gr.70 基層母材， 然后再焊接N04400復(fù)層， 其焊接節(jié)點(diǎn)形式如圖3 所示。 圖3 （a）的坡口形式適合外側(cè)埋弧焊焊接、 內(nèi)側(cè)碳弧氣刨清根+內(nèi)側(cè)埋弧焊的工藝方案， 但碳弧氣刨清根后， 會(huì)對(duì)內(nèi)側(cè)N04400 復(fù)層形成污染， 并且內(nèi)側(cè)僅留10 mm 的剝邊寬度經(jīng)碳弧氣刨清根后， 會(huì)損傷到N04400 復(fù)層， 為了不傷及N04400 復(fù)層，勢(shì)必需要增大剝邊寬度， 增加N04400 堆焊量，因此該坡口形式不可取。 圖3 （b） 的坡口適用于內(nèi)側(cè)埋弧焊、 外側(cè)碳弧氣刨清根+外側(cè)埋弧焊的工藝方案， 該坡口適合大直徑大壁厚的設(shè)備使用。 圖3 （c） 坡口適合外側(cè)氬弧焊打底+焊條填充+埋弧焊蓋面的工藝方案， 該坡口最大的優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)側(cè)復(fù)層堆焊工作量少， 節(jié)省內(nèi)側(cè)復(fù)層堆焊的時(shí)間， 并減少鎳基焊材使用量， 節(jié)約成本。

圖3 SA-516 Gr.70+N04400 復(fù)合板不同焊接坡口形式

5.2 N04400 復(fù)層焊接

N04400 復(fù)層焊接采用手工GTAW 焊接方法， 過(guò)渡層焊材采用ERNi-1 焊絲， 堆焊時(shí)需先進(jìn)行 “封邊” 焊接， 即先從剝邊位置開始焊接，如圖4 所示， 避免從一側(cè)剝邊位置依次布置焊道， 最終在另一側(cè)剝邊處形成如圖5 所示的小夾角空間， 成為焊接死角， 導(dǎo)致該位置出現(xiàn)焊接未熔合缺陷。 另外， 封邊焊接時(shí)， ERNi-1 過(guò)渡層焊材要把碳鋼邊緣部分完全蓋住， 避免后續(xù)進(jìn)行耐蝕層焊接時(shí)， 耐蝕層焊材ERNiCu-7 與碳鋼接觸， 極易產(chǎn)生熱裂紋及熱影響區(qū)滲透裂紋。

圖4 復(fù)層封邊焊接

圖5 焊接死角

5.3 產(chǎn)品焊接

本研究SA-516 Gr.70+N04400 復(fù)合板厚度為30 mm+4 mm， 設(shè)備筒體縱焊縫及環(huán)焊縫坡口形式按圖3 （c） 設(shè)計(jì)， 基層SA-516 Gr.70采用手工氬弧焊+焊條電弧焊+埋弧焊工藝焊接。 基層焊接后， 采用砂輪對(duì)復(fù)層內(nèi)側(cè)氬弧焊余高進(jìn)行打磨， 打磨至與內(nèi)側(cè)碳鋼母材平齊，然后對(duì)內(nèi)側(cè)焊縫進(jìn)行100% PT 檢測(cè)， 檢測(cè)合格后方可進(jìn)行N04400 復(fù)層焊接。 復(fù)層過(guò)渡層焊接采用手工GTAW 焊接方法， 層數(shù)為1 層，過(guò)渡層堆焊后進(jìn)行100% PT 檢測(cè)， 檢測(cè)合格后堆焊耐蝕層， 耐蝕層堆焊3 層。 復(fù)合板焊接設(shè)計(jì)方案如圖6 所示， 具體焊接材料及焊接參數(shù)見表6。 耐蝕層堆焊后對(duì)其進(jìn)行100% PT 檢測(cè)， 對(duì)外側(cè)SA-516 Gr.70 焊縫進(jìn)行100% MT檢測(cè)， 對(duì)基層及復(fù)層堆焊焊縫進(jìn)行100% RT檢測(cè)， 對(duì)堆焊焊縫兩側(cè)50 mm 的N04400 母材進(jìn)行100% UT 分層檢測(cè)， 從而使縱焊縫及環(huán)焊縫的合格率達(dá)到98%。

圖6 復(fù)合板焊接設(shè)計(jì)方案

表6 SA-516 Gr.70+N04400 復(fù)合板焊接參數(shù)

5.4 焊接試板化學(xué)成分檢測(cè)

設(shè)備筒體縱焊縫焊接帶有焊接試板， 焊接試板的坡口形式以及焊接工藝與產(chǎn)品縱焊縫焊接完全相同。 產(chǎn)品焊接試板焊后， 對(duì)試板堆焊層進(jìn)行化學(xué)成分分析， 分析位置為距離過(guò)渡層熔合線3.0 mm 處， 具體檢測(cè)結(jié)果見表7， 其結(jié)果滿足ERNiCu-7 焊絲的成分要求。 經(jīng)測(cè)量， 過(guò)渡層熔深為0.5 mm， 復(fù)合板坡口剝邊深度1.5 mm， 復(fù)層厚度4.0 mm， 即總的堆焊厚度為5.5 mm， 距離過(guò)渡層熔合線3.0 mm 處化學(xué)成分合格。 復(fù)合板有效化學(xué)成分堆焊層為3.0 mm， 滿足項(xiàng)目保證堆焊層不低于2 mm 的有效化學(xué)成分的要求。

表7 堆焊層化學(xué)成分分析結(jié)果%

6 結(jié)束語(yǔ)

本研究分析了SA-516 Gr.70 碳鋼與N04400鎳銅合金異種材料的焊接特性， 選擇ERNi-1 焊絲作為過(guò)渡層焊材， 耐蝕層采用ERNiCu-7 焊材， 通過(guò)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)的驗(yàn)證， 證明工藝的可靠性， 其力學(xué)性能及化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并將該工藝成功應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)， 保證了SA-516 Gr.70+N04400 復(fù)合板的焊接質(zhì)量。