AL-6XN超級不銹鋼與Q345R鋼復合鋼板工藝試驗

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(四川驚雷科技股份有限公司，四川 宜賓 644623)

0 前言

AL-6XN超級不銹鋼屬含6%Mo的低碳、含氮超級奧氏體不銹鋼，被廣泛應用在化工容器、海水淡化、海洋油氣平臺、制藥、食品以及熱電廠、鋼廠等煙氣脫硫設備上[1]。普通奧氏體不銹鋼與碳鋼的爆炸復合工藝非常成熟，而AL-6XN超級不銹鋼與普通奧氏體不銹鋼相比，強度高很多，對AL-6XN超級不銹鋼與碳鋼采用爆炸復合的研究較少見報道。四川驚雷科技股份有限公司為上海某集團改造一臺焦油塔設備，主體材料選用AL-6XN+Q345R復合鋼板。由于兩種材料的物理性質、化學成分以及力學性能存在著較大的差異。因此，需要選擇合理的爆炸復合工藝和熱處理工藝，消除或減少爆炸焊接應力的同時兼顧基材的力學性能并保證覆層的耐蝕性能。

針對AL-6XN+Q345R復合鋼板爆炸復合后選擇合適的熱處理工藝消除爆炸焊接應力以及復合鋼板的焊接工藝制定進行試驗研究，總結出合適的工藝規范來滿足設備制造的技術要求。

1 AL-6XN與Q345R鋼的焊接性分析

AL-6XN與Q345R是兩種單一材料通過爆炸焊接而形成的復合材料，它們之間為固相結合。焊接時應考慮兩種材料的差異。AL-6XN為單相奧氏體組織，合金含量高，線膨脹系數較大，在焊接時熱應力較大；液態金屬的流動性也較差，焊接過程容易出現氣孔、未熔合等缺陷。而焊縫金屬中Ni與S，P，Si等元素易形成低熔點共晶物，若在晶界形成液膜，易引發焊縫中的結晶裂紋和熱影響區的液化裂紋，因此對坡口表面的清理以及焊絲的潔凈要求很高。此外，焊接熱輸入過大或焊接過熱嚴重，也會引起裂紋等缺陷。而Q345R鋼相對來說，焊接性較好，對焊接參數、工作環境等沒有那么苛刻。如何把握這兩種材料的焊接顯得非常重要，特別是兩種材料的界面處焊接即過渡層焊接。過渡層和覆層的焊接一般要求在較潔凈的環境下進行，且應小規范施焊。

AL-6XN超級不銹鋼的Mo含量在6%左右。焊縫在結晶時，由于Mo在奧氏體中的溶解度低而優先在液體中偏析，因此先結晶的固相便出現貧Mo現象而導致焊縫金屬的耐蝕性能下降。為了補償這種不良影響，AL-6XN超級不銹鋼在進行熔化焊時應優先選用含Mo高的鎳基焊接材料，通常采用9%Mo或Mo更高的焊接材料[2]。焊接AL-6XN時推薦選用ENiCrMo-3或ERNiCrMo-3焊接材料[3]。

2 焊接工藝及熱處理試驗

2.1 試驗材料及測試方法

該爆炸焊接法生產的復合鋼板為 3.4 mmAL-6XN和20 mmQ345R 。覆層AL-6XN和基材Q345R的化學成分和力學性能見表1～2。

表1 AL- 6XN與Q345R鋼的化學成分(質量分數，%)

表2 AL- 6XN與Q345R鋼的力學性能

按照GB/T 6396—1995《復合鋼板力學及工藝性能試驗方法》國家標準對AL-6XN+Q345R復合鋼板的力學性能進行測試；按照NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》標準對焊接接頭的力學性能進行測試。按照ASTM G48中的A法即6%FeCl3溶液和ASTM G28中的A法即50%H2SO4-Fe3(SO4)2溶液進行腐蝕試驗。

2.2 消除爆炸焊接應力的熱處理試驗

爆炸焊是利用炸藥爆炸時所產生的高能量，使覆板向基板高速運動而發生碰撞，從而將被焊金屬結合在一起[4]。爆炸焊會產生較大內應力。復合鋼板熱處理目的就是為了消除或減少爆炸焊接應力。熱處理工藝參數的選擇時既要考慮基材的力學性能，又要考慮覆層的耐蝕性能。AL-6XN在510 ℃以下是穩定的，當長時間暴露在650～980 ℃時，σ相可能在晶界上析出；在980 ℃以上長時間加熱時，二次相將緩慢析出[5]。圖1是AL-6XN超級不銹鋼在24 ℃時在10%FeCl3溶液(即ASTM G48 B法)、失重量為0.001 g的等腐蝕曲線[6]。從圖1可以看出，AL-6XN鋼在650～980 ℃長時間熱處理下會影響其耐腐蝕性。

根據腐蝕曲線圖，對AL-6XN+Q345R(3.4 mm+20 mm)復合鋼板選擇了有代表性的幾個溫度進行熱處理試驗，即中溫熱處理按照550 ℃/4 h空冷、600 ℃/4 h空冷、650 ℃/4 h空冷和高溫熱處理按照1 020 ℃/25 min風冷、1 070 ℃/15 min風冷。

圖1 AL-6XN失重量0.001 g等腐蝕曲線圖

2.3 復合鋼板焊接工藝選擇

試驗中基材選用E5015焊條，覆層選用含9%Mo的ENiCrMo-3焊條或ERNiCrMo-3焊絲。按過渡層、覆層的焊接方法和焊接材料的不同進行了3組試驗。復合鋼板的焊接順序是先焊基材，再焊過渡層，最后焊覆層。圖2是焊接坡口及焊接順序。3組試板的焊接方法、焊接材料及焊接規范參數見表3。

圖2 復合板坡口及焊接順序圖

表3 焊接規范參數

3 試驗結果與分析

3.1 熱處理試驗結果分析

爆炸復合后的鋼板經中溫、高溫熱處理后，其復合鋼板內的殘余應力的測定有很多方法[4]。在工程實踐中，可通過復合鋼板的力學性能從側面定性反映其內在應力的大小，溫度越高，消除爆炸焊接的內應力效果就越好。

表4是AL-6XN+Q345R復合板在不同熱處理溫度下的力學性能和腐蝕數據。

表4 不同熱處理狀態下復合板的力學性能和耐蝕性能

注：①拉伸試樣帶覆層；②腐蝕率單位 mm/y，即毫米/年。

不同熱處理狀態下復合鋼板的抗剪強度在300～340 MPa之間，大于標準要求的210 MPa。AL-6XN+Q345R復合鋼板經550 ℃和600 ℃中溫消應力熱處理后，力學性能變化不大，屈服強度505～510 MPa之間，抗拉強度620～630 MPa之間，斷后伸長率22%～24%。雖然強度較高，斷后伸長率偏低，但均在標準NB/T 47002—2009《壓力容器用爆炸焊接復合板》允許范圍內；而試板經650 ℃熱處理后斷后伸長率低于標準要求，且冷彎試驗不合格，說明該溫度不適合AL-6XN+Q345R復合鋼板熱處理；覆層硬度220～255 HB之間，硬度值偏高；所有試樣的0 ℃沖擊吸收能量在68 J以上。覆層的腐蝕數據不管是G48A還是G28A，隨著溫度的升高，其腐蝕率大幅度提高，特別是650 ℃的腐蝕率非常大。

復合鋼板經1 000 ℃以上高溫熱處理后，屈服強度385～410 MPa之間，抗拉強度550～560 MPa之間，斷后伸長率大于30%，彎曲試驗合格，硬度189～192 HB左右，0 ℃沖擊吸收能量平均100 J以上。高溫熱處理后，屈服強度和抗拉強度比較適中，斷后伸長率遠大于標準要求。1 070 ℃的腐蝕率比1 020 ℃有明顯下降，說明在高溫段熱處理時，溫度越高越有利于保證覆層的耐蝕性。

由復合板力學試驗結果可知，高溫熱處理后材料的性能更優，說明消除爆炸應力更徹底，后續加工更有利。但由覆層腐蝕結果可知，中溫熱處理更有利于保證耐蝕性。生產中如何選擇熱處理規范，應根據具體要求決定。

3.2 焊接接頭試驗結果分析

3組試驗中的試板均為焊態，分別進行力學性能及腐蝕試驗。第1組的4件側彎試樣均在覆層焊縫熔合線處開裂，且為貫穿性，有一件已經延伸至基材焊縫上，腐蝕試驗合格，但數據偏大；第2組的4件側彎試樣在覆層焊縫熔合線處發生開裂，腐蝕試驗數據也偏大；第3組4件側彎試樣均合格，腐蝕數據較小。

3組試驗中焊接接頭的力學性能數據和腐蝕數據見表5。

表5 焊接接頭力學性能及腐蝕試驗結果

注：①拉伸試樣帶覆層;②腐蝕率單位 mm/y，即毫米/年。

通過對3組試驗焊接接頭性能綜合對比分析，可以看到，對于AL-6XN+Q345R復合鋼板過渡層、覆層若選用焊條電弧焊焊接，在力學性能檢驗中彎曲試驗容易不合格，在熔合線處易出現開裂。試樣表現出較大的腐蝕量可能與過渡層選用E309LMo有較大關系；而選用ERNiCrMo-3的鎢極氬弧焊焊接過渡層及覆層，焊接接頭力學性能均能通過后續檢驗，焊縫的耐蝕性也較好。因此，生產中應優選氬弧焊工藝。

焦油塔用AL-6XN+Q345R復合鋼板從2008年至今一直運行良好，開罐檢查未發現母材和焊縫腐蝕現象。

4 結論

(1) AL-6XN+Q345R復合鋼板，爆炸復合性良好，復合板的結合率可以達到NB/T 47002.1標準中的B1級要求。

(2) 爆炸復合鋼板消除應力熱處理規范應根據產品的使用要求來選擇。中溫熱處理可以更好保證材料的耐蝕性，但材料的屈服強度和抗拉強度偏高，斷后伸長率會偏低；而高溫熱處理則更有利于消除爆炸應力。實際生產中宜選擇中溫熱處理。雖然中溫處理后抗拉強度和屈服強度偏高，斷后伸長率降低，但仍符合標準的規定，可以滿足容器制造過程中各工序加工的要求。

(3) AL-6XN+Q345R復合鋼板的焊接工藝制定時應考慮，當過渡層和覆層采用焊條電弧焊時，對焊工操作技能和焊接過程控制要求很高，應嚴格控制焊接熱輸入和稀釋率。生產中應盡量采用鎢極氬弧焊。為保證焊縫金屬的耐蝕性，過渡層和覆層推薦選用9%Mo的ERNiCrMo-3或Mo含量更高的焊接材料。