厚壁高碳奧氏體不銹鋼347H 的焊接技術(shù)

朱小燕 王喜平 朱生萍 程仔微 王 晏

（新疆蘭石重裝能源工程有限公司）

近年來，國內(nèi)壓力容器產(chǎn)品冷氫化反應(yīng)器在工藝和技術(shù)上不斷優(yōu)化，已經(jīng)打破了國外市場的壟斷。 目前以347H 為主體材料的冷氫化反應(yīng)器逐步流向市場，其主要特點(diǎn)是降低了原材料的制造成本， 并且國內(nèi)可自行生產(chǎn)厚壁347H 奧氏體不銹鋼板材， 打破了長期采用進(jìn)口厚壁800H 材料的局面。 由于厚壁347H 奧氏體不銹鋼能在高溫狀態(tài)下運(yùn)行，所以使用該材料制造的冷氫化反應(yīng)器具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，而且其他各項性能也均能滿足操作工況要求。

1 347H 的化學(xué)成分和性能特點(diǎn)

347H 屬于奧氏體不銹鋼， 具有良好的耐腐蝕性能、耐高溫性能、耐氧化性能、焊接性能和熱強(qiáng)性能。 347H 鋼板的化學(xué)成分、力學(xué)性能［1］和高溫性能［2］均符合SA-240 標(biāo)準(zhǔn)要求，具體數(shù)值見表1、2。

表1 347H 鋼板的化學(xué)成分 %

表2 347H 鋼板的力學(xué)性能和高溫性能

347H 若要滿足一定要求的耐腐蝕性， 就必須嚴(yán)格控制晶粒尺寸，細(xì)晶粒的奧氏體組織能加快鉻在晶界的擴(kuò)散遷移，并與氧形成一層致密富鉻氧化層（Cr2O3），這個富鉻氧化層能阻止高溫下347H 的氧化。 固溶處理有利于奧氏體不銹鋼的高溫強(qiáng)度，但固溶處理的溫度必會導(dǎo)致晶粒尺寸變大，所以必須嚴(yán)格控制晶粒度為ASME No7 號或更粗的平均晶粒度。

2 焊接工藝評定試板的制作

為了保證產(chǎn)品制造過程中焊接工藝評定達(dá)到100%的覆蓋率，根據(jù)NB/T 47014—2011［3］的要求，在合理控制焊接熱輸入量的同時保證焊接效率， 故產(chǎn)品焊接時焊條的直徑采用4.0mm 規(guī)格， 筒體縱環(huán)縫的埋弧焊焊絲直徑采用3.2mm，封頭拼接完成后需熱成型和固溶處理，故氬弧焊絲和埋弧焊絲均采用2.4mm 規(guī)格。需制作的評定試板如下：

a. 制作一對手工鎢極氬弧焊評定試板，厚度為13mm，焊絲為ER347H（φ2.4mm）；

b. 制作一對焊條電弧焊評定試板， 厚度為48mm，焊條為E347H（φ4.0mm）；

c. 制作一對埋弧焊評定試板，厚度為48mm，焊材為ER347H（φ3.2mm）+JWF641；

d. 制作一對手工鎢極氬弧焊+埋弧焊組合評定試板，厚度為66mm（其中手工鎢極氬弧焊焊接厚度為13mm，其余的采用埋弧焊焊接），焊材為GTS-347（φ2.4mm）/GWS-347（φ2.4mm）+GXS340，焊后需進(jìn)行固溶處理， 熱處理條件為1150℃×66min。

另外，奧氏體不銹鋼的焊接一般不需要預(yù)熱和后熱［4］，預(yù)熱溫度不小于15℃，層間溫度范圍為15～100℃，不需要后熱。 焊接過程中嚴(yán)格控制溫度，保證焊縫的最優(yōu)性能。

試板的焊接規(guī)范見表3。

表3 試板的焊接規(guī)范

焊接工藝評定的化學(xué)分析、力學(xué)性能和硬度腐蝕均滿足技術(shù)要求。 4 種焊接方式的焊縫及熱影響區(qū)金相組織如圖1 所示，焊縫區(qū)為少量的鐵素體+奧氏體，熱影響區(qū)和母材均為奧氏體組織。

圖1 4 種焊接方式的焊縫及熱影響區(qū)金相組織

3 產(chǎn)品的焊接

3.1 筒體縱縫的焊接

單節(jié)筒體是由兩張板拼接而成的，因筒體厚度較厚，需合理控制焊后變形，所以筒體拼縫需采用雙面坡口，筒體合口縫采用單面坡口。 焊接采用埋弧焊，焊材為ER347H（φ3.2mm）+JWF641，采用等離子清根并打磨，焊接過程中嚴(yán)格按照焊接工藝評定規(guī)范執(zhí)行， 尤其是焊接層溫的控制。筒體拼縫（圖2）、合口縫焊后（圖3）焊縫表面成型美觀，焊接質(zhì)量高。

圖2 筒體拼縫

圖3 筒體合口縫焊后

3.2 筒體環(huán)縫的焊接

筒體環(huán)縫的坡口采用單面坡口， 如圖4 所示，環(huán)縫內(nèi)坡口可防止因焊縫收縮而導(dǎo)致的環(huán)縫處塌腰現(xiàn)象， 但內(nèi)坡口的存在也增加了焊接難度。 筒體環(huán)縫采用埋弧焊焊接， 焊材為ER347H（φ3.2mm）+JWF641， 采用等離子清根并打磨，焊接過程中嚴(yán)格按照焊接規(guī)范控制焊接層溫。

圖4 筒體環(huán)縫坡口示意圖

筒體環(huán)縫的焊接過程中出現(xiàn)了氣孔缺陷，經(jīng)分析，氣孔的產(chǎn)生主要是因為焊接過程中存在氫氣未及時溢出焊縫，而氫氣的直接來源是焊接過程中的水，所以針對環(huán)縫焊接對埋弧焊焊材進(jìn)行二次烘干，烘干后繼續(xù)焊接，仍出現(xiàn)氣孔缺陷；隨后又更改了焊接工藝， 先采用焊條電弧焊打底，再進(jìn)行埋弧焊焊接，氣孔仍然存在。 因此，通過以上操作排除了焊接材料中水分的影響因素。

圖5 渣殼照片

筆者通過對比縱縫焊接后渣殼（圖5），發(fā)現(xiàn)縱縫和環(huán)縫第1 遍焊接之后渣殼的表面均存在大量孔洞，縱縫焊接多層后和蓋面焊后渣殼不存在孔洞，說明母材存在受潮的情況。 而在奧氏體不銹鋼的焊接過程中沒有預(yù)熱，導(dǎo)致焊接過程中存在大量的水從而形成氫氣，在熔池凝固過程中無法及時溢出，導(dǎo)致水的產(chǎn)生。 而縱縫的結(jié)構(gòu)不存在曲率，渣殼容易脫渣，有利于氫氣的溢出，故縱縫的焊接過程中沒有出現(xiàn)氣孔缺陷。 奧氏體不銹鋼的焊接一般不需要預(yù)熱，焊前只需要保證焊件溫度不小于15℃即可，但若存在母材受潮的情況，則會導(dǎo)致焊接過程中出現(xiàn)氫氣孔。 為此，在環(huán)縫焊前對環(huán)縫部位進(jìn)行預(yù)熱烘干，預(yù)熱溫度不超過100℃，預(yù)熱烘干2h 后開始焊接，焊接后取掉預(yù)熱工裝，保證在層間溫度15～100℃之間進(jìn)行焊接，焊接過程中再沒有出現(xiàn)氫氣孔。

3.3 封頭拼縫的焊接及固溶處理

封頭厚度為48mm， 所以封頭拼縫的焊接采用鎢極氬弧焊+埋弧焊焊接， 焊接坡口為雙V 形坡口。 焊接過程中不需要清根，背面砂輪打磨即可。 焊材為：鎢極氬弧焊焊絲GTS-347（φ2.4mm），埋弧焊焊絲GWS-347 （φ2.4mm）+焊劑GXS340。焊后進(jìn)行熱沖壓成型， 因封頭厚度較厚， 故分3次沖壓成型（表4），第1 次沖壓將封頭加熱到熱成型溫度后保溫48min， 其余兩次沖壓均在達(dá)到熱成型溫度后保溫15min， 這主要是因為前次沖壓后封頭中心部位溫度較高，故相應(yīng)地縮短了保溫時間。3 次沖壓過程均需連續(xù)作業(yè)。在實際沖壓過程中多張封頭板進(jìn)行沖壓時，需保證最后一張進(jìn)爐的封頭板具有最短保溫時間。

表4 封頭沖壓成型溫度及時間

沖壓成型后封頭（圖6）需進(jìn)行固溶處理：固溶條件為（1150℃±20℃）×45min， 冷卻方式為水冷。 固溶處理后還需進(jìn)行表面酸洗鈍化。

4 焊接要點(diǎn)

為了保證厚壁高碳奧氏體不銹鋼347H 的焊接質(zhì)量，需注意以下幾點(diǎn)：

a. 采用碳含量不小于0.04%的焊接材料，保證焊后焊縫的耐高溫性能；

圖6 3 次沖壓成型后封頭

b. 焊縫中需存在少量的鐵素體，使奧氏體晶粒尺寸受到阻礙，打亂柱狀晶方向，細(xì)化晶粒，促進(jìn)雜質(zhì)均勻分布，減少焊接熱裂紋的產(chǎn)生［5］；

c. 347H 的焊接熔敷金屬中存在Nb 元素，在焊接過程中易于燒損， 使得焊縫表面易于發(fā)藍(lán)，所以在焊后待焊縫金屬冷卻后需清理焊渣，防止焊縫金屬氧化；

d. 焊接時焊縫的收縮量較大，開制坡口時較以往產(chǎn)品的坡口在寬度和角度方面要更大一些，以提高焊接質(zhì)量減少夾渣缺陷的產(chǎn)生；

e. 采用小規(guī)格的焊材，嚴(yán)格控制焊接熱輸入量；

f. 焊縫的清根不能使用碳弧氣刨清根， 防止焊縫滲碳，影響焊接質(zhì)量；

g. 焊前需對母材進(jìn)行烘干處理，避免產(chǎn)生氣孔缺陷。

5 結(jié)束語

厚壁高碳奧氏體不銹鋼347H 的焊接相比普通的奧氏體不銹鋼難度系數(shù)大，焊接過程中容易出現(xiàn)熱裂紋、氣孔等焊接缺陷。 實際產(chǎn)品的焊接首先要嚴(yán)格遵循焊材使用規(guī)范、合理開制坡口以及嚴(yán)格按照焊接規(guī)范控制預(yù)熱層間溫度等，并在焊接過程中出現(xiàn)焊接缺陷時要分析焊接缺陷產(chǎn)生的原因，不斷總結(jié)經(jīng)驗，才能保證產(chǎn)品的焊接質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率并降低制造成本。