不銹鋼復合板防止焊縫裂紋產生的制造技術

張然 汪心洋

摘要：不銹鋼復合板焊縫焊接過程中為防止焊縫過渡層及復層出現冷、熱裂紋，所采取正確的制造工藝及焊接方法，檢測手段；

關鍵詞：不銹鋼復合板，焊縫裂紋，復合板材料，焊接工藝，焊前預熱，錯邊量

某公司壓力容器廠為某瀝青公司制造的凈氨塔產品，直徑φ3600mm，其材質為Q345R+316L，厚度δ（36+3）mm，設計壓力2.03MPA，該產品在制造時為了避免復層焊后經常會出現較大面積的橫向或縱向的冷、熱裂紋，該公司技術部門針對焊縫裂紋產生的原因及機理特征進行了分析，并編制了合理的坡口加工形式，正確的焊接方法及施焊工藝，完善的檢驗檢查手段，同時通過良好的監督執行機制，最終取得了很好的成效，成功的避免了焊縫復層在焊后極易產生裂紋的問題，并給今后相關產品制造帶來很好的示范效應，內容如下：

1.過渡層產生裂紋的原因

由于Q345R和316L兩種鋼種的物理性能化學成分的差異以及晶體組織和力學性能的不同，導致在焊接中出現以下問題。

1.1焊接時，接頭過渡層發生嚴重的碳遷移及組織性能的變化，即界面發生擴散運動而使碳遷移，在基層側（Q345R）形成脫碳層，而在復合側（316L）形成增碳層，兩側性能相差懸殊。由于組對時受力不均，因而容易引起應力集中。

1.2兩種鋼的線膨脹系數相差較大，在焊接過渡層近界面部位產生附加應力，導致焊縫產生裂紋。

1.3焊接時，雖然加入了合金元素如Cr、Ni、 Mo、 Ti等稀有金屬，但對母材仍產生稀釋問題，從而在焊縫中產生淬硬的馬氏體組織，對接頭極為不利。

2.復合板材料的選擇

碳鋼與不銹鋼爆炸焊時，由于工藝參數不當，且不銹鋼復層多含有Cr、Ni、 Mo、 Ti等稀有金屬容易在接合面交界處產生硬化的合金層，當進行彎曲試驗時，這種合金層容易形成裂紋。因此，使用爆炸焊復合鋼制造承受彎曲載荷的結構時，必須選用沒有硬化合金層的爆炸焊復合鋼。

不銹復合鋼冷軋薄鋼板的力學性能應符合基層材料相應標準的規定，在彎曲部分的外側允許產生裂紋，復合界面不允許分層。

3.合理的焊接工藝

3.1在選擇焊縫坡口形式時，采用圖2所示的焊接坡口形式，這種坡口形式的優點是：

（1）坡口尺寸標注以復層為基準，盡量使復層對齊，以保證其耐腐蝕性能。

（2）基層與復層完全分開，便于焊工實際操作。

（3）在剝離復層側時，向基層刨去深度1mm，增加了復層的厚度，保證了過渡層和復層的焊接質量，增加l耐腐蝕性能。

（4）在復層側設計30°斜角，可以防止焊縫夾渣和未熔合缺陷。

（5）有利于基層進行x射線探傷檢查，易于發現缺陷，便于返修。

（6）雙面V型坡口有效的減少了焊縫內側或外側應力集中，使得復層焊接后較少出現拉裂現象。

3.2焊接坡口工藝參數及焊接設備的選擇

焊接坡口的選擇原則是基體融合的焊縫金屬量愈少愈好，即融合比越小越好，其目的是減少馬氏體組織，避免或減少出現冷裂紋。坡口形式如圖二所示。同時為了減少合金元素的稀釋，也應減少融合比，采用小電流，快速焊接。需要指出的是，線能量不能過小，也不能過大。線能量過小，會增大熔合區的硬化程度，對韌性和防止裂紋不利，極易出現再熱裂紋；線能量過大，會促使馬氏體組織的形成，同時增大了奧氏體過熱，易使焊縫脆化。所以說，只有使用適中的線能量，才能既保證熔合比較小，又能防止再熱裂紋及脆化。焊機采用選用AX-500S焊機，直流反接。

4.焊接方法和焊接材料的選擇

4.1焊接方法選用基層采用埋弧自動焊，同時為了保證焊接質量及減少應力，過渡層和復層采用手工電弧焊。過渡層的焊接屬于異種金屬之間的焊接，一般要求焊縫金屬或接頭的強度不低于兩種被焊金屬的最低強度，選用焊條強度應能保證焊縫金屬或接頭的強度不低于兩種被焊金屬的最低強度，選用焊條強度應能保證焊縫及接頭的強度不低于強度較低側母材的強度，同時焊縫金屬的塑性和沖擊韌性不低于強度較高側母材的性能。為防止焊接裂紋，應按強度級別較高而焊接性能較差的鋼種確定焊接工藝。為了提高焊縫金屬的抗裂能力，應選用抗裂性較強的低氫型焊條。

4.2 焊前預熱

對于厚度大于30mm以上的基層材料，焊前需進行預熱，預熱的目的主要進行消氫處理，以防止氫釋放不足而出現焊后延遲裂紋。

4.3 焊接操作要求

在焊接操作中，應注意以下事項：

（1）在過渡層焊接前及過渡層焊接中，應用角磨機將焊縫周圍藥皮清理干凈，露出金屬光澤，這樣可以有效地防止氫熔入焊縫，從而防止冷裂紋的產生。

（2）焊接前焊條在烘干箱內350°C條件下烘干2小時，然后保溫。焊接時應使用保溫桶裝焊條，隨用隨取。

（3）過渡層焊接應選用多人分段對稱焊接，從而減少應力的產生。

（4）采用短弧操作，焊條在坡口兩側稍作停留，以保證焊縫與母材金屬充分融合。

（5）進行多層多道焊接時，層間溫度嚴格控制在350°C左右直至焊接結束，嚴格控制層間溫度的目的是為了防止裂紋的產生。

（6）收弧時應注意填滿弧坑，否則容易出現裂紋。

5.控制錯邊量

對不銹鋼復合板錯邊量控制的要求要比普通碳鋼或低合金鋼嚴格得多，控制不銹鋼復合板的錯邊量不超標，是保證其強度和耐蝕性能的一個關鍵。為此，特采取以下措施進行錯邊量控制：

（1）嚴格按照“筒體下料展開尺寸的精確解”計算展開長度，并保證實際下料尺寸準確。

（2）保證筒節滾圓質量，控制好圓度。

（3）坡口形式尺寸標注以復層為基準，確保錯邊量不超標。

（4）環縫組對采用“圓環形徑向找圓工裝”，保證簡體圓度，保證組對質量。

（5）封頭與筒體組對，首先保證各自的內圓周長，同時以封頭周長匹配筒體周長，保證封頭與筒休的組對質量。

（6）組對時以復層為基準，防止復層錯邊量超標。

6.施焊焊工

從事鍋爐壓力容器焊接工作的焊工必須按照國家質量監督檢驗檢疫總局制定的《鍋爐壓力容器壓力管道焊工考試與管理規則》進行考試，取得焊工合格證后，才能在有效期間內擔任合格項目范圍內的焊接工作。焊工必須按圖樣、工藝文件和技術標準施焊。焊工應在規定部位打上焊工鋼印，對于有防腐要求的不銹鋼以及復合鋼板制壓力容器不得在防腐而采用硬印作為焊工識別標志，而應用簡圖記錄焊工代號，并將簡圖列入產品質量證明書中提供給用戶。

7.焊接時要注意事項

為了保證不銹鋼復合板原有的綜合性能，應對基層、過渡層和復層分別進行焊接。不銹鋼復合板焊接時，應注意以下幾點：

（1）嚴格按照圖樣、焊接工藝和有關標準施焊。

（2）遵循先焊接基層，再焊接過渡層，最后焊接復層的焊接順序。

（3）為防止沾附焊接飛濺，施焊前需在不銹鋼復合板坡口兩側100mm范圍內刷涂防飛濺涂料。

（4）定位焊縫只允許在基層金屬而上采用焊接基層金屬的電焊條施焊。

（5）基層的焊接，應嚴防基層焊縫熔化到不銹鋼的過渡層甚至復層焊縫，以免少量高鉻、高鎳的不銹鋼成分稀釋到碳素鋼焊縫中形成馬氏體組織而發生硬化。在不銹鋼一側的基層焊縫盡量采用無飛濺的焊接方法（例如埋弧焊、非熔化極氬弧焊等），因為碳素鋼的飛濺會在復層表面造成銹蝕。

（6）嚴防碳鋼或低合金鋼焊條焊接在復層上或過渡層焊條焊在復層面上。

（7）焊接過渡層時，為減小稀釋率，在保證焊透的條件下，應盡可能采用小直徑焊條，并采用小規范反極性進行直道焊，以降低基層對過渡層焊縫的稀釋。

（8）復層焊接前，仔細清除坡口邊緣復層坡口上的飛濺物。

（9）復層焊接時，為保證焊接質量，必須控制焊接熱輸入，應采取多層多道快速不擺動焊法，盡量采用小的焊接熱輸入和電流，并快速焊接。復層焊接時，不應預熱和緩冷，有時甚至采取強制冷卻措施，以盡量減少焊縫在400～850°C溫度區問的停留時間，防止焊縫產生奧氏體品界局部貧鉻，析出σ脆性相，產生475℃脆性，從而保證焊縫金屬具有良好的力學性能和抗晶問腐蝕性能。

（10）不銹鋼復合板焊接的關鍵是提高焊縫一次合格率，減少返修次數。因為不銹鋼復合板焊接接頭的組織和性能十分不均勻，焊縫返修時經常產生熱裂紋。

（11）不銹鋼設備接觸介質的一面焊縫應盡可能最后焊接。

（12）嚴格控制不銹鋼表面機械損傷和飛濺物。

8.預熱和熱處理

不銹鋼復合板焊前預熱和焊后熱處理按JB/T4709--2007《鋼制壓力容器焊接規程》進行。

（1）焊前預熱 當不銹鋼復合板基層需要預熱時，應以復合鋼的總厚度作為確定預熱溫度的厚度參數。當基層需要進行預熱時，施焊過渡層的焊縫也必須預熱。

（2）焊后熱處理不銹鋼復合板應盡量避免焊后熱處理。當需要進行焊后熱處理時，應避免復層母材和焊接接頭中鉻碳化物析出和形成σ，相。如焊后熱處理溫度在不銹鋼的敏化溫度區間之內，就會降低不銹鋼的耐腐蝕性能，使不銹鋼產生晶間腐蝕裂紋。為解決這個問題，可以采用“低溫長時”的熱處理方式，即適當降低熱處理溫度，延長保溫時間。

9.焊接質量檢驗

在基層焊接完畢之后、過渡層與復層焊接之前，對基層一般應進行射線探傷檢查。發現超標缺陷，立即進行返修。返修完畢并經RT射線探傷檢查合格后，再將復層側的基層焊縫表面打磨平整，一般應進行PT探傷檢查，經過PT探傷檢查合格后，再焊接過渡層，過渡層焊后須對過渡層進行外觀檢驗，應無表面缺陷，并經100%著色檢查也未發現焊縫裂紋后再焊復層，復層焊接完畢后，除了VT檢查合格外，還需進行PT100%探傷檢查，Ⅰ級合格。

通過以上工藝措施的落實，有效的保證了不銹鋼復合板的整體焊接質量，避免了復層焊縫表面裂紋的產生，取得了良好的效果。

參考文獻：

[1]GB150-2011 JB/T4709—2007.

作者簡介，張然（1976.07-），男，江蘇省張家港市楊舍鎮人，就職江蘇省張家港市華益特種設備有限公司，大學學歷，機械制造專業。職稱：工程師，職務： 質保工程師兼質量部部長，研究方向：鍋爐壓力容器制造。