Q235B+TP316L不銹鋼復(fù)合板焊接工藝研究

黃彥博，劉智慧

德陽東汽電站機(jī)械制造有限公司 四川德陽 618000

1 序言

某項(xiàng)目凝汽器汽水側(cè)端板均為厚（55+5）mm的Q235B+TP316L不銹鋼復(fù)合板。不銹鋼復(fù)合板是由復(fù)合層（不銹鋼）和基層（碳素鋼）復(fù)合軋制而成的雙金屬，由復(fù)合層保證耐蝕性能，強(qiáng)度主要靠基層獲得，這樣可以節(jié)約大量不銹鋼，降低工程造價(jià)，具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。同時(shí)，不銹鋼復(fù)合板的價(jià)格大大低于同規(guī)格純不銹鋼的價(jià)格，具有不銹鋼的耐腐蝕、耐磨損、高導(dǎo)熱等特性以及碳素鋼良好的焊接性能，且強(qiáng)度高。因此，不銹鋼復(fù)合板被廣泛用于石化、電力設(shè)備、水利等行業(yè)[1]。

然而，由于不銹鋼復(fù)合板的兩種材質(zhì)具有不同的化學(xué)成分和物理性能，因此在焊接過程中，很容易造成碳及合金元素的擴(kuò)散，引起焊接接頭性能惡化，影響焊接質(zhì)量。為了避免不銹鋼層和基層界面處出現(xiàn)的合金元素稀釋、碳元素遷移等，過渡層的焊接是保證復(fù)合板焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。可從以下幾方面加以考慮來確保不銹鋼復(fù)合板焊接質(zhì)量。

1）保證其基層和復(fù)層過渡層的焊接質(zhì)量，保證合金元素的平緩過渡而不造成成分偏析。

2）控制異種鋼接頭組織的不均勻性從而控制焊接裂紋的產(chǎn)生。

3）控制并減少汽水側(cè)端板的焊接變形量。

本文介紹厚（55+5）mm的Q235B+TP316L不銹鋼復(fù)合板的焊接工藝試驗(yàn)，并對(duì)焊接接頭進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定研究。

2 焊接工藝確定

2.1 材料及焊接方法選擇

Q235B+TP316L不銹鋼復(fù)合板基材規(guī)格為厚55mm，材質(zhì)為Q235B，復(fù)合層為厚5mm，材質(zhì)為TP316L奧氏體不銹鋼鋼板，其化學(xué)成分見表1。基材Q235B的組織為鐵素體、珠光體，其金相組織如圖1a所示；復(fù)合層TP316L組織為典型奧氏體，其金相組織如圖1b所示。

鑒于本項(xiàng)目不銹鋼復(fù)合板的厚度較厚，焊接的工作量相對(duì)較大，基層側(cè)采用CO2氣體保護(hù)焊至離不銹鋼側(cè)2～3cm處，而后改用藥芯焊絲電弧焊施焊。基層采用CO2氣體保護(hù)焊的優(yōu)越性是多方面的，主要是生產(chǎn)效率高、焊縫質(zhì)量?jī)?yōu)、表面成形美觀、勞動(dòng)條件好、節(jié)省焊接材料且能較好地控制焊接變形量。過渡層和復(fù)合層焊接，采用的方法是不銹鋼藥芯焊絲電弧焊，確保合金成分平緩過渡，避免造成成分偏析。

表1 板材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖1 板材金相組織

CO2氣體保護(hù)焊焊絲采用ER70S-6，該焊絲是鍍銅低合金鋼氣體保護(hù)焊絲，采用CO2作為保護(hù)氣體進(jìn)行施焊，具有優(yōu)良的焊接工藝性能，電弧燃燒穩(wěn)定、飛濺少，焊縫成形美觀、焊縫金屬氣孔敏感性小。不銹鋼藥芯焊絲電弧焊采用E316LT0-4焊絲，該焊絲能有效地減少飛濺或氣孔，并可增高焊縫金屬凝固時(shí)的溫度。焊絲中加入了其他合金元素，保證了焊縫的綜合力學(xué)性能，同時(shí)對(duì)焊接工藝性能及去除雜質(zhì)，也有一定作用。所選用焊材的化學(xué)成分見表2。

表2 焊接材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.2 坡口形式

項(xiàng)目采用不銹鋼復(fù)合板的厚度為55mm，為防止焊接熔合不良以及焊接應(yīng)力增大引起的裂紋、氣孔等缺陷，采用雙U形坡口（見圖2），該坡口形式能確保焊接質(zhì)量，填充金屬少，熔合比小，便于操作。不銹鋼復(fù)合板的坡口一般采用機(jī)械方式制成。若采用等離子切割、氣割等方法加工坡口，則必須去除不銹鋼側(cè)表面的氧化層。加工完坡口要進(jìn)行外觀檢查，不得有裂紋和分層現(xiàn)象。

圖2 坡口形式

3 焊接實(shí)施

3.1 焊前清理

清理干凈坡口及其兩側(cè)各50mm范圍內(nèi)油污、銹蝕、金屬屑、氧化膜及其他污物，復(fù)合層距離坡口100mm范圍內(nèi)應(yīng)涂刷防飛濺材料。

3.2 焊接順序

（1）基層的焊接 焊接基層焊道不得觸及和熔化復(fù)合層不銹鋼，先焊基材時(shí)，其焊道根部或表面，應(yīng)距離復(fù)合層界面2～3mm。焊縫余高應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

（2）過渡層的焊接 不銹鋼復(fù)合板過渡層的焊接十分重要，但過渡層焊接材料的選擇也十分重要。焊接過渡層的目的，是為了補(bǔ)償由于稀釋所引起的合金元素（如Cr、Ni等）的降低，使復(fù)層焊縫的合金成分保持應(yīng)有的水平。過渡層焊接時(shí)，基層結(jié)構(gòu)鋼的局部熔化使不銹鋼焊縫合金成分稀釋。同時(shí)，還有Cr、Ni合金元素的燒損問題。這樣就會(huì)降低不銹鋼焊縫中的Cr、Ni合金元素含量，增加不銹鋼焊縫的碳含量，從而使不銹鋼焊縫中容易形成硬而脆的馬氏體組織，降低焊接接頭的塑性、韌性和耐蝕性能。因此，在實(shí)際焊接生產(chǎn)中，為了補(bǔ)償這些合金元素的損失，使過渡層的合金性能保持在應(yīng)有的水平，應(yīng)該選用含Cr、Ni等合金元素量高和碳含量低的焊接材料，但也應(yīng)考慮抗裂性，控制焊縫的稀釋率，這樣才能在正常的焊接參數(shù)下，得到雙相組織的焊縫，避免產(chǎn)生大量馬氏體組織和焊接冷裂紋。在不銹鋼復(fù)合板過渡層焊接中，不僅存在著合金元素的稀釋和燒損，而且還有組織和性質(zhì)上的變化。同時(shí)還有焊接后，給復(fù)合鋼板表面、基體和整體材料所造成的硬化現(xiàn)象與兩種鋼材的物理性能也有很大差異。不銹鋼層的熱導(dǎo)率比基層低，線膨脹系數(shù)和電阻率也比基層大得多，因而在焊接過渡層時(shí)會(huì)引起較大的焊接應(yīng)力和變形，再加上焊縫與母材交界處的熔合區(qū)組織的不均勻性，這些現(xiàn)象的組合疊加因素，易導(dǎo)致焊接裂紋的產(chǎn)生。因此，保證過渡層具有優(yōu)良的塑性、韌性，減少焊接應(yīng)力，控制與調(diào)節(jié)異種鋼接頭組織的不均勻是防止過渡層脆弱而產(chǎn)生裂紋的關(guān)鍵。因此，為保證合金成分的均勻過渡，在距離不銹鋼側(cè)2～3cm時(shí)就采用不銹鋼E316LT0-4焊絲施焊，使之在碳素鋼基層和不銹鋼復(fù)合層間形成良好的過渡層，從而確保合金元素的平緩過渡而不造成組織成分偏析，控制異種鋼組織成分的不均勻性，防止由此而產(chǎn)生的焊接裂紋。

（3）復(fù)合層的焊接 在焊接復(fù)合層時(shí)，要注意保護(hù)復(fù)合層的表面，防止焊接飛濺物損傷復(fù)合層表面，不得在復(fù)合層表面隨意引弧、焊接卡蘭以及臨時(shí)支架等。復(fù)合層表面應(yīng)盡可能與焊縫表面保持平整、光順。焊后焊縫余高≤1.5mm。

3.3 焊接變形控制

復(fù)合板焊接變形的控制成為繼不銹鋼復(fù)合層均勻過渡后的又一控制要點(diǎn)。由于不銹鋼復(fù)合板厚度達(dá)55mm，而焊接厚板的變形量必須受到嚴(yán)格控制，否則會(huì)給后續(xù)鉆孔、穿管工作帶來困難。為控制并減小焊接造成的端板變形，施工過程中采取如下措施。

1）采取剛性加固措施。

2）在碳素鋼基層后壁焊接時(shí)采取CO2氣體保護(hù)焊，盡量采用小參數(shù)施焊，減少熱量輸入，從而避免局部過熱引起熱變形。

3）采取對(duì)稱施焊，并采取分段焊、跳焊等方式減少焊接變形。

4）施焊碳素鋼基層時(shí)，為避免反復(fù)在同一側(cè)施焊而造成局部過熱引起變形，每側(cè)施焊2～3道后將端板翻身，如此反復(fù)。

3.4 焊接參數(shù)

由于不銹鋼復(fù)合板的兩種材質(zhì)具有不同化學(xué)成分和物理性能，在焊接過程中，很容易造成碳及合金元素的擴(kuò)散，使焊接接頭性能降低，影響焊接質(zhì)量。不銹鋼復(fù)合板焊接的關(guān)鍵問題是在焊縫中過渡層的焊接過程中，應(yīng)該避免填充合金元素?cái)U(kuò)散而導(dǎo)致焊縫中的奧氏體形成元素減少、碳含量增加，從而導(dǎo)致不銹鋼復(fù)合板的耐蝕性降低[2]。

填充時(shí)采用ER70S-6焊絲，焊接時(shí)調(diào)整熱輸入大小，有效防止過渡層元素?cái)U(kuò)散及熱影響區(qū)組織惡化。蓋面焊接時(shí)，熱輸入要適當(dāng)減小，保證焊縫焊后成形良好。本項(xiàng)目采用的焊接參數(shù)見表3。

表3 焊接參數(shù)

3.5 焊接檢驗(yàn)

為確保基層和復(fù)層過渡層的焊接質(zhì)量，保證合金元素的平緩過渡而不造成成分偏析，在填充層、過渡層施焊結(jié)束后進(jìn)行滲透檢測(cè)，執(zhí)行NB/T 47013.5—2015，Ⅰ級(jí)合格；檢測(cè)合格后方可焊接不銹鋼復(fù)合層；焊接結(jié)束后需進(jìn)行超聲波檢測(cè)，執(zhí)行NB/T 47013.3—2015，Ⅱ級(jí)合格。確保端板焊縫質(zhì)量達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

通過本次改造項(xiàng)目的生產(chǎn)實(shí)踐證明，只要采取適當(dāng)?shù)暮附庸に嚕o以恰當(dāng)?shù)姆雷冃未胧瑖?yán)格按制定的工藝施焊，就能在控制變形的基礎(chǔ)上使不銹鋼復(fù)合板基層與復(fù)合層達(dá)到較好的熔合，避免因組織成分不均勻性而造成的裂紋產(chǎn)生。其焊接技術(shù)要點(diǎn)可歸納以下幾點(diǎn)：①正確選擇焊接方法、焊接材料與合理的焊接參數(shù)。②正確選擇合理的焊接順序。③基層和復(fù)合層之間的過渡層焊接是不銹鋼復(fù)合板焊接的關(guān)鍵，同時(shí)要選擇適當(dāng)?shù)暮覆模赃_(dá)到合金成分的均勻過渡。④采取必要的防變形措施，避免端板焊接變形。