Q345R與NS3306/NS1402異種鋼的焊接

武興國 晏君文

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川 德陽 618000)

隨著我國石油天然氣行業(yè)的發(fā)展，對(duì)石油天然氣設(shè)備制造提出的要求越來越高，使用工況復(fù)雜、材料特殊、工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等要求使設(shè)備制造越來越多的出現(xiàn)異種鋼焊接。

本文以某分離器為例，對(duì)Q345R與NS3306/NS1402異種鋼的焊接進(jìn)行工藝研究。由于母材Q345R與鎳基NS3306/NS1402在物理性能、化學(xué)成分和力學(xué)性能上的差異較大，碳鋼與鎳基異種鋼焊接存在焊縫金屬的稀釋、焊接接頭的殘余應(yīng)力高、碳遷移形成擴(kuò)散層等技術(shù)問題[1]，因此，為了避免異種鋼焊接的弊端，通常都是采用在碳鋼坡口側(cè)堆焊鎳基隔離層，參與熱處理后再與鎳基進(jìn)行對(duì)接焊的方式[2]。

分離器結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，殼體母材Q345R，接管材質(zhì)NS3306/NS1402，管板角接接頭形式(見圖2)，若采用上述堆焊隔離層再焊接的方式，考慮到接管管徑小于DN50，在殼體坡口側(cè)堆焊鎳基對(duì)焊工的要求高，且堆焊后坡口加工困難，因此，我們根據(jù)Q345R與NS3306/NS1402異種鋼材料及其焊接特性，首次采用鎳基焊條直接進(jìn)行對(duì)接焊焊接的方式，并通過焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)進(jìn)行力學(xué)性能的驗(yàn)證，提出產(chǎn)品實(shí)際焊接的操作要點(diǎn)，這樣既可以解決上述異種鋼焊接的難題，又可以保證焊接接頭的各項(xiàng)性能滿足要求。

圖2 管板角接接頭形式Figure 2 Angle joints form of tube and plate

1 異種鋼材料及焊接性分析

1.1 Q345R焊接性分析

Q345R屬于壓力容器常用低合金高強(qiáng)度鋼，金相組織為鐵素體和珠光體。根據(jù)國際焊接學(xué)會(huì)碳當(dāng)量公式CE=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+ (Cr+Mo+V)/5計(jì)算碳當(dāng)量，計(jì)算得CE=0.38%，表明Q345R鋼淬硬傾向小。根據(jù)焊接裂紋敏感指數(shù)Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15 +V/10+5B評(píng)估冷裂紋傾向，計(jì)算得Pcm=0.219%，表明Q345R鋼冷裂紋傾向小。因此，Q345R鋼焊接性良好，焊前可不預(yù)熱，焊后可不進(jìn)行焊后熱處理。

1.2 NS3306/NS1402焊接性分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》中母材分類分組的情況，NS3306屬于Ni-3類別，NS1402屬于Ni-5類別，但NS3306/NS1402化學(xué)成分主要是Ni-Cr-Fe-Mo，均屬于是鐵鎳基合金，金相組織為單相奧氏體。鎳基合金具有液態(tài)焊縫金屬流動(dòng)性差的固有屬性，導(dǎo)熱性差，在焊縫金屬凝固過程中，熱量不易散出，出現(xiàn)晶粒粗大的情況，減弱晶間結(jié)合力，使固液相存在時(shí)間加長(zhǎng)，從而導(dǎo)致熱裂紋的產(chǎn)生[3]。

此次分離器使用的殼體母材Q345R及鎳基接管材質(zhì)NS3306/NS1402，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1和表2所示。

1.3 異種鋼焊接性分析

從表1中分析看出，殼體Q345R及鎳基接管NS3306/NS1402在化學(xué)成分的差異很大，尤其是C、Cr、Ni等元素的含量相差甚遠(yuǎn)，這勢(shì)必導(dǎo)致焊接過程中合金元素的稀釋，降低焊縫金屬中的Cr、Ni含量，增加C含量，從而導(dǎo)致馬氏體組織的出現(xiàn)，降低焊接接頭的塑性和韌性等性能。

表1 母材的化學(xué)成分檢測(cè)分析結(jié)果(%)Table 1 Chemical compositions detection and analysis results of base metal (%)

從表2中分析看出，殼體Q345R比鎳基接管NS3306/NS1402的熱膨脹系數(shù)更小，焊接過程產(chǎn)生的熱量使兩側(cè)母材的冷卻收縮不一致，會(huì)形成較大的焊接應(yīng)力，存在焊接接頭開裂的可能；殼體Q345R比鎳基接管NS3306/NS1402的熱導(dǎo)率要高得多，焊接過程中殼體Q345R側(cè)易出現(xiàn)熱影響區(qū)過寬、冷卻速度過快而導(dǎo)致淬硬傾向增加，而鎳基接管NS3306/NS1402側(cè)易發(fā)生過熱現(xiàn)象引起晶粒粗大，焊接接頭性能下降。

表2 母材的力學(xué)性能和物理性能檢測(cè)結(jié)果Table 2 Detection results of mechanical and physical properties for base metal

在異種鋼焊接過程中，焊接熔池內(nèi)部與母材兩側(cè)邊緣的金屬融化相互混合，碳含量在異種鋼焊接接頭部分存在一定的差異，焊縫邊界出現(xiàn)不完全熔合部分，從而導(dǎo)致脫碳層和增碳層的出現(xiàn)，即一側(cè)出現(xiàn)脫碳層，而另一側(cè)出現(xiàn)增碳層，造成碳遷移的現(xiàn)象，破壞焊接接頭的可塑性和持久性[1]，影響焊接質(zhì)量。

2 焊接材料的選擇

根據(jù)上文中對(duì)異種鋼材料及焊接性的分析，通過計(jì)算異種鋼材料的Cr當(dāng)量和Ni當(dāng)量，結(jié)合舍弗勒組織圖應(yīng)選擇高合金化的焊接材料。根據(jù)NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規(guī)程》第4.1.7條b)規(guī)定：“奧氏體高合金鋼與碳素鋼、低合金鋼之間相焊，選用焊接材料應(yīng)保證焊縫金屬的抗裂性能和力學(xué)性能。當(dāng)設(shè)計(jì)溫度不超過370℃時(shí)，采用鉻、鎳含量可保證焊縫金屬為奧氏體的不銹鋼焊接材料；當(dāng)設(shè)計(jì)溫度高于370℃時(shí)，宜采用鎳基焊接材料”[3]。

該分離器的設(shè)計(jì)溫度低于100℃，但考慮到母材一側(cè)為鎳基材料，宜選用鎳基焊接材料更合適。同時(shí)，針對(duì)產(chǎn)品的材料性能和結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合產(chǎn)品的生產(chǎn)類型和生產(chǎn)條件，宜選用焊條電弧焊。本次選用的焊接材料為ENiCrMo-3型焊條，其化學(xué)成分和力學(xué)性能見表3和表4。

表3 焊材ENiCrMo-3的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果(%)Table 3 Chemical compositions detection results of ENiCrMo-3(%)

表4 焊材ENiCrMo-3的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果Table 4 Mechanical property detection results of ENiCrMo-3

ENiCrMo-3型鎳基焊材的流動(dòng)性差和焊接過程中的溫度控制可以有效緩解金屬的稀釋，高鉻、鎳含量可以保證焊縫金屬的組織和性能；鎳基焊材可以減少焊接接頭部分存在的導(dǎo)熱性，保證焊接過程中的熱循環(huán)，提升焊接接頭的穩(wěn)定性和焊接過程的質(zhì)量；焊縫中高鎳含量通過石墨化作用有效抑制碳化物的形成，從而避免碳遷移形成擴(kuò)散層。

因此，選用鎳基材料ENiCrMo-3型焊條是合理的，但異種鋼焊接的接頭力學(xué)性能需要通過工藝評(píng)定試驗(yàn)來驗(yàn)證。

3 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

根據(jù)以上分析，為了驗(yàn)證選用的ENiCrMo-3型焊條能夠保證Q345R與NS3306/NS1402異種鋼焊接的各項(xiàng)性能滿足要求，同時(shí)結(jié)合NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》中母材分類分組情況，Q345R屬于Fe-1類別，NS3306屬于Ni-3類別，NS1402屬于Ni-5類別，因此，需要分別進(jìn)行焊接工藝評(píng)定驗(yàn)證，以下是分別進(jìn)行Q345R+NS3306和Q345R+NS1402的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)情況。

3.1 試驗(yàn)材料

為了確保試驗(yàn)過程的一致性，母材采用相同尺寸、相同坡口的試板材料，其中一側(cè)采用Q345R鋼板，另一側(cè)采用NS3306或NS1402鍛板，試板尺寸20 mm×200 mm×300 mm，試板為V型坡口，坡口形式見圖3。

圖3 評(píng)定試板坡口示意圖Figure 3 Test plate groove

3.2 試驗(yàn)過程

焊接工藝評(píng)定試板制作完成后，進(jìn)行裝配組對(duì)、焊接、打磨，焊接過程中根據(jù)實(shí)際情況不斷調(diào)整參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，焊接完成后進(jìn)行無損檢測(cè)，合格后送檢測(cè)部門進(jìn)行相應(yīng)理化解剖、模擬熱處理和性能試驗(yàn)，主要步驟如下：

(1)試板坡口朝上平整放置組對(duì)，焊前打磨Q345R側(cè)坡口及附近50 mm區(qū)域見金屬光澤，并清理NS3306或NS1402側(cè)的坡口。

(2)室溫下采用焊條電弧焊焊接，焊接規(guī)范參數(shù)見表5，要求控制層間溫度≤100℃，打磨清根，不允許氣刨清根，焊完后緩冷。

表5 焊接規(guī)范參數(shù)Table 5 Welding specification parameters

(3)采用鋁基無鐵砂輪打磨焊縫，并進(jìn)行100%PT、100%UT檢測(cè)。

(4)按要求對(duì)試板進(jìn)行模擬熱處理(Min.PWHT：620℃±14℃×(3.5～4.5)h，Max.PWHT：620℃±14℃×(10.5～12.5) h并進(jìn)行性能試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》和分離器技術(shù)條件要求對(duì)評(píng)定試板進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)，主要力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表6和表7。

從表6和表7中可以看出，焊接接頭的各項(xiàng)力學(xué)性能均能滿足要求，同時(shí)焊接接頭的宏觀照片也沒有發(fā)現(xiàn)裂紋、夾渣和未熔合等缺陷，由此確定上述試驗(yàn)結(jié)果和焊接工藝是符合要求的。

表6 Q345R+NS3306焊接接頭力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果Table 6 Mechanical properties detection results of Q345R+NS3306 welded joints

表7 Q345R+NS1402焊接接頭力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果Table 7 Mechanical properties detection results of Q345R+NS1402 welded joints

4 產(chǎn)品焊接

上文分析了異種鋼材料的焊接性，并進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定的驗(yàn)證，考慮到鎳基焊接材料和普通的低合金鋼、不銹鋼等焊接材料存在一定的區(qū)別，還需要充分了解和掌握該種材料的焊接特點(diǎn)，以保證焊接的質(zhì)量和產(chǎn)品的安全可靠。

4.1 鎳基焊接的特點(diǎn)

鎳基焊接最明顯的特點(diǎn)就是熔池的熔融金屬流動(dòng)性差，不易流動(dòng)或鋪展，不易流動(dòng)到坡口的兩側(cè)，氣體在液態(tài)熔融金屬中的溶解度會(huì)隨著熔池的不斷凝固而下降，在焊縫的凝固過程中游離出的氣體無法在焊縫凝固前完全逸出而形成氣孔[4]。

鎳基母材和焊材中含有大量的合金元素，在焊縫的凝固過程中合金元素會(huì)向未凝固的液態(tài)熔融金屬擴(kuò)散，從而在枝晶間和晶界形成偏析，產(chǎn)生金屬中間相組織。鎳極易與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成氧化鎳，而氧化鎳熔點(diǎn)比鎳的熔點(diǎn)高，當(dāng)鎳熔化時(shí)氧化鎳還未達(dá)到熔點(diǎn)，從而出現(xiàn)焊縫金屬中存在氧化鎳形成夾渣。金屬中間相組織和焊接夾渣會(huì)在一定程度上影響焊接接頭的力學(xué)性能。

焊工在操作的過程中對(duì)鎳基焊接材料不熟悉，會(huì)試圖通過提高電流的方式以增加熔融金屬的流動(dòng)性，而實(shí)際上這種操作方式會(huì)使熔池溫度升高產(chǎn)生過熱，使熔融金屬中的脫氧劑快速蒸發(fā)，造成焊縫的凝固過程中更易形成氣孔和夾渣；熔池過熱還會(huì)造成焊縫的晶粒粗大，在粗大晶粒上集中一些強(qiáng)度低、脆性大的低熔點(diǎn)共晶體，在焊接應(yīng)力的作用下容易形成熱裂紋[5-6]；電流過大還會(huì)使焊條由于過熱而出現(xiàn)藥皮開裂、脫落的現(xiàn)象，電弧吹力受損，藥皮的保護(hù)作用受損。

4.2 焊接的操作要點(diǎn)

分離器殼體Q345R與接管NS3306/NS1402的產(chǎn)品焊接過程中，有以下操作要點(diǎn)以確保焊接質(zhì)量：

(1)焊前準(zhǔn)備。需了解施工圖紙和工藝、施焊注意事項(xiàng)、焊接技巧和焊接參數(shù)的控制；焊條嚴(yán)格烘干，焊接時(shí)使用焊條保溫桶，防止吸潮。

(2)焊件清理。焊接坡口及坡口兩側(cè)的母材需用專用砂輪打磨坡口見金屬光澤，將油污、雜質(zhì)等清理干凈，并對(duì)坡口進(jìn)行100%PT/UT探傷檢測(cè)合格。

(3)焊接過程控制。焊前不預(yù)熱，在室溫下進(jìn)行焊接，焊接過程中嚴(yán)格控制層間溫度≤100℃，焊后緩冷；嚴(yán)格按照工藝規(guī)定的參數(shù)范圍進(jìn)行焊接，盡量采用小線能量、短電弧焊接；坡口起弧，息弧前填滿弧坑，仔細(xì)檢查每層每道焊縫，有缺陷應(yīng)立即打磨去除；鎳基母材側(cè)擺動(dòng)施焊，且稍作停留，碳鋼側(cè)小擺動(dòng)甚至不擺動(dòng)。

4.3 焊后檢驗(yàn)

(1)焊后采用專用砂輪將焊縫表面的熔渣、飛濺等清理干凈，檢查焊縫外觀表面，焊縫與母材呈凹形圓滑過渡，未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔、夾渣、咬邊、未熔合等焊接缺陷。

(2)按照標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.5—2015承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第5部分：滲透檢測(cè)》進(jìn)行100%PT，檢測(cè)技術(shù)等級(jí)C級(jí)，線性缺陷和圓形缺陷的質(zhì)量等級(jí)為Ⅰ級(jí)合格；按照標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》進(jìn)行100%UT，檢測(cè)技術(shù)等級(jí)B級(jí)，Ⅰ級(jí)合格。

5 結(jié)論

(1)Q345R與NS3306/NS1402異種鋼的焊接，為了有效緩解金屬的稀釋、減少碳遷移形成擴(kuò)散層、提升焊接接頭的穩(wěn)定性和焊接過程的質(zhì)量，可選擇ENiCrMo-3型鎳基焊材。

(2)Q345R與NS3306/NS1402異種鋼采用鎳基焊材焊接，分別進(jìn)行Q345R+NS3306、Q345R+NS1402的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，焊接接頭的力學(xué)性能均能夠滿足要求。

(3)基于鎳基材料的焊接特點(diǎn)，焊接前清理焊接區(qū)域，焊接過程中控制層間溫度和道間清理，采用小線能量、短電弧焊接，實(shí)現(xiàn)了Q345R與NS3306/NS1402異種鋼的鎳基對(duì)接焊，焊接質(zhì)量滿足要求。