氯乙烯聚合釜復合鋼的焊接工藝研究

姜成軍，陶 凱，薛小龍，潘衛國

（1.上海市特種設備監督檢驗技術研究院，上海 200062；2.上海森松壓力容器有限公司，上海 201323）

0 引言

上海某公司在制造氯乙烯聚合釜中廣泛應用了基層為低合金鋼、覆層為不銹鋼的爆炸復合鋼板，公司以前采用的焊接工藝為埋弧自動焊（SAW）加手工電弧焊（SMAW）：先在復合鋼板基層根部用SMAW 工藝進行打底焊，然后在基材上用SAW 工藝焊接，基材焊好后進行射線無損檢測。射線檢測合格后，在過渡層和覆層用SMAW 工藝焊接。現應用戶要求對產品制造過程中的焊接工藝進行更改，采用新的焊接工藝為SAW 加埋弧帶極堆焊工藝，即用SAW 工藝焊接基材全部，基材焊好后進行射線檢驗。檢驗合格后，用帶極堆焊工藝焊接過渡層和覆層[1]。根據TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程規范》要求，焊接方法改變需試驗新焊接工藝對標準要求的符合性，在此基礎上對新舊焊接工藝的性能進行試驗對比。

1 焊接試驗準備

本次焊接試驗用母材為SA516Gr70+SA240TP304 爆炸復合板（符合NB/T 47002—2009），其覆板材料是SA240TP304（歸類為Fe8-1-1），覆板厚度4 mm；基板材料是SA516Gr70（歸類為Fe8-1-2），基材厚度30 mm。試驗采用SAW+SMAW 和SAW 加埋弧帶極堆焊兩種焊接工藝對同一爐批號的試驗鋼板分別進行焊接，然后對焊接試板的力學性能、金相組織和耐蝕性能進行試驗對比并驗證標準符合性。焊接試驗所使用的復合鋼板見圖1。

圖1 焊接試驗用復合板

1.1 焊接坡口型式

通常不銹鋼復合板焊接坡口型式主要根據復合板厚度、焊縫在容器中的位置、覆層焊縫的化學成分和耐腐蝕要求來確定[2]。不銹鋼復合板焊接前需要在焊接區的覆層與基層結合處加工掉1.5 mm 左右的基材，然后采用過渡層焊材填充。本次焊接試驗所采用的試樣組對雙面坡口型式參照GB/T 13148—2008《不銹鋼復合鋼板焊接技術要求》的規定，坡口型式見圖2，圖中：h＝（30+4）mm，p=1～2 mm，α＝60°，β＝70°，b=6 mm，f=10 mm，n=8 mm。

圖2 焊接試樣坡口示意

1.2 評定試板的化學成分與力學性能

本次焊接試驗采用的評定試板的化學成分見表1，試板的力學性能見表2。

表1 SA516Gr70+SA240TP304 鋼板化學成分%

表2 鋼板力學性能

1.3 試板選用的焊材

通常復合板基層和覆層歸屬不同的材料類別，因此經常采用不同類別的焊材分別焊接焊縫的基層和覆層。基層材料的焊接采用SAW，本次選用的焊材是與基層材料同種類的低合金鋼焊接材料HJ421-H08MnA（焊絲歸類為FeMS-1-2，焊劑歸類為FeG-1）；基層與覆層交界處即過渡層的焊接采用Cr、Ni 含量高的焊接材料，覆層與覆層的焊接采用與覆層材料相應的焊絲和焊帶，見表3。

表3 復合板焊接所用試驗焊材化學成份和力學性能

1.4 焊接工藝參數

采用基層（SAW+SMAW）+過渡層（SMAW）+覆層（SMAW）焊接工藝，對照參數見表4，其中低合金鋼層間溫度≤300 ℃,不銹鋼層間溫度≤150 ℃。該型材料在過渡層和覆層的焊接應嚴格按照焊接規范，采用小電流、快速焊、不擺動的多層多道焊，并盡可能縮短接頭高溫停留時間，以降低材料晶粒粗大的可能，增強焊縫的力學性能和耐腐蝕性能[3]。

表4 SAW+SMAW 和SAW 加帶極堆焊工藝參數

2 性能試驗結果與分析

將圖1 焊接試樣平均切割成2 塊，加工檢查后采用表4 焊接工藝分別焊接。1#焊接試樣采用基層SAW 工藝，過渡層和覆層采用帶極堆焊工藝進行焊接，2#焊接試樣采用基層SAW+SMAW 工藝，過渡層SMAW 工藝，然后覆層SMAW 工藝焊接。安排2 個技術熟練的焊接人員分別按表4 工藝進行焊接，然后對這2 個焊接試樣進行金相組織、力學性能和腐蝕性能等對比試驗。

2.1 焊接接頭理化無損檢測性能

焊接結束后，對焊接接頭的性能進行理化、無損檢測試驗，結果見表5（注：2#試樣有一個側彎，試樣在覆層處有1 處1 mm的表面缺陷裂口）。2#試樣耐蝕堆焊層焊縫和1#試樣覆層焊縫化學成分對比見表6。

表5 焊接接頭性能試驗

表6 覆層耐蝕焊縫化學成分

由表5 可知，2#試樣抗拉強度Rm比1#試樣有所降低，但都遠大于基層材料SA516Gr70的強度下限值485 MPa，與其他試驗性能一樣都符合規范標準的性能要求。從表6 化學成分分析結果可知2#試樣焊縫的化學成分與1#試樣化學成分基本相似。

2.2 金相檢驗

通常焊接過程直接影響焊接接頭的宏觀組織和微觀組織、力學性能以及焊接缺陷，通過對焊接接頭的金相檢驗能夠分析出焊縫各區的焊接缺陷和金相組織[4]。在1#與2#試樣金相組織（圖3）中，采用兩種焊接工藝得到的焊接接頭無未焊透、未熔合、裂縫、夾渣氣孔等缺陷，在試樣的微觀檢測中也未發現顯微裂紋等缺陷，焊接接頭的金相組織正常。

圖3 1#與2#焊接試樣宏觀形貌和金相組織

2.3 晶間腐蝕試驗

容器應用中復合板的覆層焊縫與腐蝕性的介質相接觸，為評定覆層焊縫的耐蝕性,本晶間腐蝕試驗將對焊接接頭的抗晶間腐蝕能力進行檢查[5]。

將1#與2#復合鋼板焊接接頭試樣進行加工，并取出1 組試驗進行650 ℃下2 h的敏化熱處理，然后將試驗按照敏化和不敏化兩種狀態分別進行試驗。試驗在對覆層焊縫打磨拋光后，將1#與2#試樣浸入硫酸銅溶液進行腐蝕，并在腐蝕后對試樣進行彎曲試驗。試驗結果（表7）表明不論敏化和不敏化，1#與2#試樣都能通過晶間腐蝕檢驗。

表7 試樣晶間腐蝕試驗

2.4 鐵素體含量檢測

按照設計文件要求，此次對1#與2#試樣覆層焊縫所含鐵素體進行含量檢測。檢測結果（表8）顯示試樣鐵素體含量符合4.0%～10.0%的標準及設計文件要求。

表8 試樣鐵素體含量檢測試驗

3 結論

為應對氯乙烯聚合釜不銹鋼復合鋼板SA516Gr70+SA240TP304 焊接工藝的改變，使用基層SAW 加過渡層覆層埋弧帶極堆焊焊接工藝取代原采用的SAW 加SMAW 工藝，對這2 種工藝焊接接頭的化學成分、力學性能、金相試驗和耐腐蝕性能進行系統對比試驗并進行分析。評定結果表明，采用SAW 加埋弧帶極堆焊工藝能獲得良好的焊接接頭性能，焊縫覆層的金相組織和耐腐蝕性能正常，這種新焊接工藝可以應用在氯乙烯聚合釜不銹鋼復合鋼板實際制造過程中。評定試驗的成功對指導該型復合板焊接工藝的制定和實際生產具有重要意義。