探究不銹鋼復合材料焊接順序工藝

姚醒吾

(湖南省特種設備檢驗檢測研究院岳陽分院 湖南 岳陽 414000)

一、引言

隨著我國工業產業的發展速度不斷加快，壓力容器制造中經常會使用到不銹鋼復合材料，不銹鋼復合材料的焊接工作受到了人們廣泛的關注和重視。天然氣壓縮機緩沖罐其介質具有高溫、高壓、含CO2和少量H2S。壓力為3.2MPa。原設計殼體選用22mm Q245R+3mmSUS321不銹鋼復合材料，全部接管采用SUS321，后業主提出對DN400以上的接管能否采用不銹鋼復合材料替代？為此，壓力容器制造單位焊接工藝責任人員在認真研究 NB/T47014、NB/T47015后提出，在改變已有焊接工藝評定前，先做各種焊接順序及調整焊接材料下的不銹鋼復合鋼焊接接頭的力學性能對比試驗。

二、不銹鋼復合鋼焊接接頭幾種焊接順序工藝

以12mmQ245R+3mmSUS321復合材料的焊接試驗材料，將焊接順序工藝分為A、B、C三種情況進行對比試驗。

(一)A焊接工藝

A焊接順序工藝為已經評定合格的焊接工藝：先采用E4315焊條焊接基層、熔覆金屬厚度10mm，再采用E309-16焊接過渡層、熔覆金屬厚度不小于2mm，最后采用E347-16焊接覆層、熔覆金屬厚度3mm。

(二)B焊接工藝

焊接順序不再按照NB/T47015第9.1.6.1推薦順序，采用先焊覆層，后焊過渡層，最后焊接基層。 采用ER309-16 全厚度焊接覆層到基層。

(三)C焊接工藝

焊接順序與B焊接工藝一樣，采用先焊覆層，后焊過渡層，最后焊接基層焊接材料及工藝。焊材匹配按A焊接工藝。考慮到NB/T47015第9.1.3要求，對于DN400及以上的管接頭及管道焊接，采用單V坡口，由于采用此焊接順序，后焊的碳素鋼熔覆金屬必然對先焊接的過渡層熔覆金屬有更強烈的稀釋，增加過渡層厚度能有效降低碳素鋼對不銹鋼過渡層熔覆金屬的稀釋。焊接材料及工藝調整為先采用ER347-16焊絲焊接覆層3mm，然后采用高鉻鎳焊條ER309-16焊接過渡層、熔覆金屬厚度不小于4mm，最后E4315焊接基層、熔覆金屬厚度8mm。

三、A、B、C工藝的焊縫接頭性能對比試驗

為減少不同試驗中非系統性因素對試驗結果的影響，本次試驗采用同一塊不銹鋼復合鋼板、同一批焊接材料、同一臺焊接設備、同一個焊工在同一天焊接試樣。焊前對焊工進行了詳細的技術交底，強調了焊接順序、焊接工藝參數、操作要點等，焊接過程中對坡口形式、組對參數、焊接實際參數進行詳細的記錄，以備試驗結果分析。焊接接頭拉伸、沖擊及彎曲試樣均按NB/T47014標準制取。

(一)A焊接工藝接頭性能試驗

1.拉伸試驗

2個拉伸試樣均斷于母材靠近熱影響區處，抗拉強度分別為492MPa和502MPa，滿足標準要求。

2.彎曲試驗

焊接接頭按彎曲半徑4a(a為試樣厚度)進行180°彎曲試驗。

結果顯示：不銹鋼焊層和碳鋼焊接結合區熔合良好；但有2組試樣彎曲時出現長度小于1.5mm的裂紋，經分析為焊接氣孔缺陷造成；在不銹鋼焊層與碳鋼焊層結合處出現不同程度的彎曲鼓包現象，面積約為4～6mm2。針對此現象進行分析座談認為，在此部位可能產生了少量低碳馬氏體。低碳馬氏體具有“自回火”特性，硬度會略高于接頭中其他部位，但韌性良好。

3.沖擊試驗

取基層焊縫金屬10mm×10mm×55mm的V型缺口沖擊試樣進行沖擊試驗，結果顯示，常溫kV2平均值為66J，單個試樣的最小值為58J。

4.硬度檢測

在焊縫截面的過渡層側、基層側及兩者結合部位分別進行硬度檢測，結果顯示，熔合線部位硬度最大值為192HV2，這也與側彎試驗結果相吻合。

5.金相組織

ER309+E4315焊縫的結合區在不銹鋼焊層側經金相檢驗，結果顯示，其組織為奧氏體+少量鐵素體+少量馬氏體。

(二)B焊接工藝接頭性能試驗

1.拉伸試驗

2個拉伸試樣均塑斷于熱影響區，抗拉強度分別為484MPa和486MPa，滿足標準要求。

2.彎曲試驗

焊接接頭按彎曲半徑4a進行180°彎曲試驗后的試樣見圖1。

圖1 B焊接工藝接頭彎曲試樣

4件彎曲試樣不銹鋼焊層和碳鋼焊層熔合良好，沒有出現剝層現象，但2個試件在焊縫邊緣出現長度小于1.6mm裂紋，判斷是微小焊接缺陷造成的。

3.沖擊試驗

分別從基層焊縫金屬和熱影響區取10mm×10mm×55mm的V型缺口沖擊試樣進行沖擊試驗，結果顯示，焊縫金屬常溫kV2平均值為55J，熱影響區常溫kV2平均值為53J。

4.焊縫截面硬度檢測

焊縫截面硬度檢測見圖2。

圖2 B焊接工藝焊縫截面硬度檢測

由圖2可見，其硬度值在190～240HV2之間，每層焊縫金屬基本上均為奧氏體樹枝晶，硬度值變化不大。

5.金相組織

復層焊縫、過渡層焊縫熔合線均為單相奧氏體。

(三)C焊接工藝接頭性能試驗

C焊接工藝的焊接接頭是重點研究的對象，編號為C-1。采用碳鋼焊條E4315在ER309過渡層上焊接時，焊工感覺鐵水流動性良好，沒有明顯的未熔合、氣孔、裂紋等缺陷產生，焊縫成形、熔合良好；對其表面進行PT檢測，結果顯示，無焊接缺陷。

1.拉伸試驗

從2組拉伸試樣觀察發現：其均在熱影響區呈塑性斷裂；焊縫、熔合區、母材清晰；在焊縫的碳鋼焊層與不銹鋼焊層過渡區域出現高硬組織，形成直徑為20～30mm2的鼓包。

2.彎曲試驗

焊接接頭按彎曲半徑4a進行180°彎曲試驗。

從焊接接頭彎曲試樣觀察發現：不銹鋼焊層側焊接熔合良好，碳鋼焊層側大部分熔合良好，不銹鋼和碳鋼熔合區熔合良好，沒有出現彎曲裂紋；但是全部彎曲試樣都在碳鋼焊層和不銹鋼焊層結合區域出現面積為20～30mm2的彎曲鼓包，這是由于在此區域產生了高碳馬氏體組織，在彎曲試驗過程中其延伸率與周圍金屬不一致造成的。

3.沖擊試驗

分別在基層側焊縫金屬和熱影響區取10mm×10mm×55mm的V型缺口沖擊試樣進行沖擊試驗，結果顯示：焊縫區常溫kV2平均值為56J，相比A順序焊縫金屬的66J下降較多，這與局部產生了高碳馬氏體有關；熱影響區常溫kV2平均值為54J。

4.焊縫硬度檢測

從試樣觀察發現：焊縫、熔合區、母材熔合良好，未發現裂紋；但用碳鋼焊條在不銹鋼上焊接的熔合區出現比較明顯的“白色區域”，面積為20～30mm2，經檢測該區硬度值為382/375/376HV2。通過舍夫勒組織圖也可看出，第3～6層的焊縫雖采用碳鋼焊條填充，但第3層和第4層焊縫由于產生了高碳馬氏體，焊縫硬度明顯高于母材和其他道次的焊縫。

5.金相組織

試樣經腐蝕后，復層、基層界限清晰，但碳鋼焊層與不銹鋼焊層的過渡區組織較為復雜，有較多的彌散馬氏體。

四、驗證性焊接試驗

為了驗證C焊縫工藝過渡層出現的高硬度組織區域，又增加了C-2和C-3組驗證性試驗。

編號C-2：C-1順序的重復驗證試驗，焊接材料、工藝與C-1焊接試驗方法完全相同。

編號C-3：1層GTAWER347；2層GTAWER309；3層E4315。該試驗考慮到E4315焊條焊接熔深較大，直接在ER309焊層上施焊，會增加對不銹鋼焊層的稀釋，故改用GTAW在過渡層上施焊，以減少對不銹鋼焊層的稀釋，降低與過渡層臨近的基層焊縫金屬碳當量，從而減少馬氏體組織。采用碳鋼焊絲GTAW在不銹鋼焊層焊接時，未發現裂紋，鐵水流動性良好。

五、結束語

通過3種不同焊接順序及工藝焊接試件的力學性能試驗結果比較，當采用與NB/T47015第9.1.6.1“不銹鋼復合鋼焊接時一般應先焊基層焊縫，然后焊過渡焊縫，最后焊覆層焊縫的焊接順序”完全不同的焊接順序時，通過采用(1)全焊縫厚度采用異種鋼焊接材料(2)增加過渡層厚度以及在與過渡層上采用小熔深的GTAW方法焊接基層的工藝措施，不銹鋼復合鋼焊接可以采用先焊接覆層、再焊接過渡層、最后焊接基層的焊接順序兩種工藝得到符合要求的焊接接頭。

不銹鋼復合材料是由不同性質的材料經特殊制造工藝復合而成，因此在焊接時其特殊性比較多，過渡層的質量的好壞直接影響基層和復層，所以不僅需要單獨滿足基層焊接結構強度要求，復層滿足耐腐蝕性能要求，還要對過渡層進行嚴格的控制。