S31603和Q345R異種鋼焊接工藝

2013-08-06 04:34:30史維琴

電焊機 2013年9期

史維琴

（常州工程職業(yè)技術學院機械系，江蘇常州 213164）

0 前言

某再生塔塔體由兩部分組成，上部分為12 mm的低合金鋼Q345R，按照產品技術要求必須進行620℃±20℃熱處理；下部分為16 mm的奧氏體不銹鋼S31603，不允許進行熱處理。產品的終止焊縫是S31603和Q345R異種鋼對接。為此進行了焊接工藝評定試驗，其彎曲試樣在Q345R側發(fā)生開裂，如圖1所示。為此，從Q345R與S31603異種鋼的焊接性，以及選擇焊接方法、焊接坡口、焊接材料、焊接熱輸入、預熱和層間溫度等方面分析、探討產生開裂的原因，并焊接模擬件，確定合適的焊接工藝，來保證其焊接接頭的性能。

1 焊接性分析

圖1 開裂的彎曲試樣

Q345R是低合金鋼，常溫組織是珠光體，S31603是奧氏體不銹鋼。其化學成分、金相組織、物理性能和力學性能等方面有較大差異[1]，焊接時容易出現以下問題：

（1）焊縫金屬受到Q345R鋼的稀釋，在緊靠Q345R鋼一側熔合線的焊縫金屬中，會形成和焊縫金屬內部成分不同的過渡層。離熔合線越近，Q345R鋼的稀釋作用越強烈，過渡層中含鉻、鎳量也越少，此時過渡層可能會出現高硬度的馬氏體或奧氏體+馬氏體區(qū)組織。

（2）在焊接高溫下，Q345R鋼與S31603鋼界面附近發(fā)生反應擴散而使碳遷移，在Q345R鋼側形成脫碳層而軟化，在S31603鋼側形成增碳層而硬化。

（3）由于兩種鋼的線膨脹系數不同，焊接產生的殘余應力無法通過熱處理方式去除，使焊縫和熔合線附近產生附加拉應力，而Q345R鋼的塑韌性比奧氏體鋼S31603差，所以在Q345R鋼側易產生開裂。

2 焊接工藝分析

2.1 焊接方法

Q345R與S31603異種鋼焊接時應選用熔合比小、稀釋率低的焊接方法。表1為各種焊接方法堆焊時得到的熔合比范圍。由表1可知，焊條電弧焊的熔合比較低，變化范圍較小，因而焊縫成分比較穩(wěn)定，這也是目前異種鋼焊接最常用的焊接方法。

表1 幾種焊接方法的熔合比范圍[1]

2.2 焊接坡口

因為彎曲試樣在Q345R側發(fā)生了開裂，為了防止因應力過高而在熔化區(qū)出現開裂情況，在Q345R側堆焊過渡層，減小淬硬傾向[2]，然后再與S31603進行對接。

2.3 焊接材料

Q345R堆焊時，選擇含鎳量大于62%的鎳基合金焊條ENiCrFe-2，利用鎳的石墨化作用能阻礙形成碳化物，減小過渡層，防止產生高硬度的馬氏體，且抑制Q345R中碳的遷移[1]。堆焊完成后進行消除應力熱處理，然后與S31603焊接，也選擇焊條ENiCrFe-2。ENiCrFe-2的線脹系數接近Q345R，這樣焊接應力將集中在S31603一側，而奧氏體鋼S31603的塑性變形能力強，能承受較大的應力。

2.4 焊接熱輸入

由于鎳基合金的熔深淺及液態(tài)焊縫金屬流動性差，如果通過加大焊接電流提高焊縫金屬流動性，可能會增大熱裂紋傾向、產生氣孔、接頭過熱、晶粒長大、過度偏析、碳化物沉淀等。因此鎳基合金焊條焊接時宜采用較小的熱輸入，縮短焊縫熔融金屬存在時間，防止產生熱裂紋和脆硬組織，改善熔合質量[3]。

2.5 預熱和層間溫度

為了提高焊縫金屬和珠光體鋼的熔合，可以增加液態(tài)焊縫金屬流動性和適當預熱，但溫度又不能太高，過高的預熱溫度和層間溫度會增大熔合比及母材過熱，晶粒粗大或產生脆硬組織等，堆焊時預熱溫度為60℃，層間溫度60℃～80℃。

3 焊接模擬件（MOCK-UP）

根據再生塔產品的特性模擬生產過程，制作模擬件，然后進行拉伸、彎曲試驗和宏觀金相檢驗。

3.1 焊前準備

（1）試板和坡口。

Q345R：500mm×150 mm×12 mm，S31603：500 mm×150 mm×16 mm，采用機加工方法刨坡口，坡口見圖2a。

圖2 坡口示意

（2）焊接材料。

按照焊材使用說明書上要求，ENiCrFe-2焊條烘干250℃，保溫2 h。

（3）卷圓及坡口清理。

按照產品制造流程，Q345R鋼板進行卷圓以后再進行焊接，所以在實驗過程中將試板在卷板機上按再生塔直徑1800 mm將試板卷成圓弧狀。然后將坡口及兩側約30 mm范圍內的水、油污和鐵銹等清理干凈，檢查坡口及兩側有無裂紋。

3.2 焊接

（1）Q345側堆焊。將Q345試板寬度方向垂直放置，堆焊前將Q345板材坡口處預熱到60℃，用φ3.2的ENiCrFe-2焊條直流反接進行堆焊，道間溫度80℃。焊接工藝參數見表2，焊接時盡量不要擺動，即使擺動，擺動幅度也不要超過1 mm。采用不銹鋼砂輪打磨弧坑，去除可能產生的弧坑裂紋；每道焊完后用不銹鋼砂輪清理干凈，防止產生夾渣；直至堆焊層厚度尺寸滿足要求，如圖2b所示。

（2）Q345堆焊層加工。產品卷圓堆焊后，無法采用坡口機加工坡口，一般采用打磨。將堆焊好的試板打磨出單邊V型坡口，不允許在一個地方長時間的打磨，應采用分段間隔打磨，防止鎳基合金因為受熱而出現裂紋；同時要檢查有沒有厚度不夠和其他缺陷存在，打磨后坡口如圖2c所示。坡口加工好后按照JB/T4730-2005對試板堆焊部位進行射線檢測（RT）和滲透檢測（PT），結果為 I級。

（3）焊后熱處理。堆焊后的試板進行焊后熱處理，溫度按照Q345R要求為620℃±20℃，保溫1 h。然后再對試板堆焊部位進行PT、RT，結果為I級。

（4）堆焊后Q345和S31603對接焊接。

將堆焊及熱處理后的Q345和坡口側削邊處理的S31603組對，裝配尺寸和焊接順序如圖3所示，焊接時控制層間溫度為80℃，焊道間清理干凈，防止夾渣，去除氧化皮等雜質。收弧打磨，去除有可能產生的裂紋。焊接工藝參數見表2。