劉乃寬

【摘 要】本文分析了16MnR+316L不銹鋼復(fù)合板的焊接性，從材料性質(zhì)、焊接方法、焊接材料、工藝評定幾個(gè)方面進(jìn)行探討，確定合適的焊接工藝，并將其成功應(yīng)用于實(shí)際的焊接生產(chǎn)中。

【關(guān)鍵詞】不銹鋼復(fù)合鋼板；焊接工藝；316L

0 前言

不銹鋼復(fù)合板是以碳素鋼或合金鋼為基層、不銹鋼為復(fù)層，制成的雙金屬復(fù)合鋼板，包括奧氏體不銹鋼復(fù)合板、鐵素體不銹鋼復(fù)合板和馬氏體不銹鋼復(fù)合板。一般由基層來保證復(fù)合板的強(qiáng)度，復(fù)層來保證復(fù)合板的抗腐蝕性能。隨著我國石油化工工業(yè)的發(fā)展，石油化工設(shè)備中采用不銹鋼復(fù)合鋼板制作的設(shè)備越來越多，其優(yōu)良的耐腐蝕性能、高強(qiáng)度及較低的綜合成本特性，得到了廣泛的應(yīng)用。

2012年我公司承接了北京中能三套水處理設(shè)備中6臺(tái)壓力容器的制作任務(wù)，考慮設(shè)備運(yùn)行中介質(zhì)腐蝕的影響，容器采用16MnR+316L不銹鋼復(fù)合板制作，其中3臺(tái)設(shè)備規(guī)格為2600*6000*（18+3）mm，3臺(tái)設(shè)備規(guī)格為1800*4000*（12+3）mm。

1 焊接性分析

16MnR+316L不銹鋼復(fù)合板屬于奧氏體系復(fù)合鋼板，查閱相關(guān)資料可知，兩種材質(zhì)的含碳量和所含的合金成分存在較大差異（見表1）。由于基層與復(fù)層的含鉻量差別較大，促使碳向復(fù)層遷移擴(kuò)散，在靠近熔合區(qū)的基層上形成了脫碳軟化層，復(fù)層奧氏體鋼一側(cè)形成增碳硬化層?；鶎雍附訒r(shí)易于熔化不銹鋼復(fù)層，使得合金元素?fù)饺攵鴮?dǎo)致碳鋼基層焊縫金屬嚴(yán)重硬化和脆化；而復(fù)層焊接時(shí)，基層中的碳易于進(jìn)入復(fù)層中，使復(fù)層的抗腐蝕性能和基層的強(qiáng)度降低，復(fù)層出現(xiàn)合金元素稀釋和滲碳等問題，因此應(yīng)在基層和復(fù)層之間加焊過渡層。過渡層焊接時(shí)，選用鉻鎳含量較高的焊接材料，使之即使受到基層的稀釋，也不會(huì)產(chǎn)生馬氏體脆硬組織?；鶎雍缚p必須防止產(chǎn)生脆硬馬氏體，保證其力學(xué)性能；過渡層焊縫選用鉻鎳含量較高的焊接材料，復(fù)層焊縫必須保證焊縫的合金成分，以確保其耐腐蝕性能。這是不銹復(fù)合鋼板焊接時(shí)的關(guān)鍵問題。

2 焊接工藝制定

2.1 焊接方法的選擇

基層焊接方法，因產(chǎn)品直徑較大，確定復(fù)層側(cè)基層采用焊條電弧焊，背面清根后采用埋弧自動(dòng)焊。以提高焊接生產(chǎn)率。

過渡層焊接方法，不銹鋼復(fù)合鋼板過渡層的焊接是整個(gè)復(fù)合鋼板焊接的難點(diǎn)，為防止基層金屬對過渡層焊縫金屬的稀釋，因此焊接時(shí)要盡量減少熔合比，以減低對焊縫金屬的稀釋作用。母材的熔合比與許多因素有關(guān)，其中焊接方法是最重要的影響因素。使用奧氏體鋼或鎳基合金填充材料焊接或堆焊時(shí)，各種焊接方法得到熔合比范圍如表2所示。

表2 各種焊接方法熔合比范圍

從表2可以看出，使用焊條電弧焊的熔合比比較低，變化范圍較小，因而焊縫成分比較穩(wěn)定，這也是目前不銹鋼復(fù)合鋼板過渡層焊接最常用的焊接方法。

復(fù)層的焊接方法，復(fù)層為316L奧氏體不銹鋼，且比較薄，一般采用鎢極氬弧焊和焊條電弧焊，從生產(chǎn)成本考慮，選用焊條電弧焊。

2.2 焊接材料的選擇

不銹復(fù)合鋼板的焊縫由基層、過渡層和復(fù)層三部分組成，各自的焊接材料選擇如下：

基層焊接材料，原則上選用的焊接材料與單一的鋼材選用的焊接材料相同，焊條電弧焊選用堿性低氫鈉型焊條E5015（J507）），其抗裂性較好。背面埋弧自動(dòng)焊采用焊絲H10Mn2配高錳高硅低氟焊劑HJ431。

過渡層焊接材料，不銹復(fù)合鋼板焊接的關(guān)鍵問題在于處理好復(fù)層與基層交接部位的焊接性，也就是過渡層的問題。從焊接冶金學(xué)上分析，可以認(rèn)為焊縫金屬大體上是攪拌均勻的，選擇焊材可以根據(jù)舍夫勒組織圖按熔合比計(jì)算，求得純奧氏體或奧氏體加少量一次鐵素體組織的焊縫成分。由于有碳鋼母材的稀釋作用，使用18-8型焊接材料可產(chǎn)生馬氏體組織，易產(chǎn)生冷裂紋，不能滿足要求。25-20型焊接材料是單相奧氏體組織而易產(chǎn)生熱裂紋。為了保證復(fù)層焊縫合金不受或少受基層金屬的稀釋，焊接材料也不能采用碳鋼材料。為了充分補(bǔ)償碳鋼對復(fù)層焊縫金屬的稀釋作用并補(bǔ)充焊接過程中合金元素的燒損，過渡層金屬鉻、鎳含量應(yīng)高于復(fù)層不銹鋼成分，并具有良好的塑性和韌性。采用25-13型焊條（E309L-16）是比較合適的，通過用舍夫勒組織圖計(jì)算，E309L焊條的焊縫組織為奧氏體加鐵素體。

316L/16MnR/E309L的鉻、鎳當(dāng)量如下：

316L Nieq=14+30*0.03+0.5*2=15.9

Creq=18+3+1.5*1=22.5

16MnR Nieq=0.15+0.17*30+0.5*1.54=6.02

Creq=0.23+1.5*0.26=0.45

E309L Nieq=14+30*0.04+0.5*2=16.2

Creq=25+0.5+1.5*0.9=26.85

通過上面的計(jì)算，查舍夫勒圖可知16MnR的組織成分在a點(diǎn)，316L的組織成分在b點(diǎn)，它們的平均成分在c點(diǎn)，E309L-16焊條的組織成分在d點(diǎn)，如果手工電弧焊的熔合比為40%，則焊縫的組織成分在e點(diǎn)，為奧氏體加5%左右的鐵素體，滿足抗裂性要求。

復(fù)層的焊接材料，根據(jù)對復(fù)層不銹鋼性能要求，復(fù)層焊縫金屬成分原則上與單獨(dú)焊接復(fù)層不銹鋼時(shí)焊接材料相同，故本次選擇E316L-16型焊條進(jìn)行焊接。

2.3 焊接坡口的選擇

因?yàn)樵O(shè)備的縱環(huán)焊縫都可以采用雙面焊，因此選用的坡口形式如圖1、圖2所示（板厚：12+3；18+3）。

另一種是當(dāng)設(shè)計(jì)厚度裕度較大，基層焊接后能夠保證基層焊縫處的厚度不小于設(shè)計(jì)厚度，射線檢測可在過渡層焊接之前進(jìn)行，但焊縫全部焊完后，必須再次進(jìn)行射線檢測，檢查無裂紋即可。因?yàn)楫a(chǎn)品用不銹鋼復(fù)合鋼厚度不厚，即使有缺陷也比較容易定位、清除，我們選擇基層、過渡層和復(fù)層都焊完后一起拍片，這樣可以降低成本。一般缺陷清除、返修焊接從基層側(cè)進(jìn)行。

2.4 焊接工藝評定

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和焊接工藝分析，按NB/T47014-2011附錄A的要求進(jìn)行。

2.4.1 焊接工藝評定過程

1）落料，16MnR+316L復(fù)合鋼板：500mm×150mm×（12+3）mm二塊，按圖1要求加工。500mm×150mm×（18+3）mm二塊，按圖2要求加工。

2）清理，清除坡口及兩側(cè)20mm范圍內(nèi)的鐵銹和油污等，在復(fù)層距坡口100mm范圍內(nèi)涂防飛濺涂料，如白堊粉等。

3）組對，以復(fù)層為基準(zhǔn)，對口錯(cuò)邊量小于等于復(fù)層厚度的50%，即1.5mm。

4）點(diǎn)固，采用經(jīng)烘干（380℃/1h）的焊條E5015（J507）/φ4點(diǎn)固在基層側(cè)

5）焊接，按圖3和圖4的順序進(jìn)行焊接。6）無損檢測，基層、過渡層、復(fù)層都焊完后一起拍片，然后復(fù)層再進(jìn)行著色檢查。

焊接時(shí)先焊復(fù)層側(cè)基層，采用焊條電弧焊，E5015（J507）/φ3.2打底，E5015（J507）/φ4焊至低于復(fù)合界面1.5～2.5mm，焊縫磨平。背面碳弧氣刨，打磨露出金屬光澤后，采用埋弧自動(dòng)焊：焊絲H10Mn2，焊劑HJ431（250℃/2h）焊至要求。再焊過渡層，清理復(fù)層側(cè)基層焊縫及坡口，采用焊條E309-16（A302）/φ3.2焊接過渡層，為了控制稀釋率，采用小電流、快速焊、不擺動(dòng)的焊接工藝，焊至高于復(fù)合界面0.5～1.5mm。最后焊復(fù)層，清理過渡層焊縫表面及坡口邊緣，采用E316L-16（A022）/φ3.2焊接復(fù)層，直至要求。基層、過渡層和復(fù)層的焊接工藝參數(shù)見表3。

2.4.2 試驗(yàn)結(jié)果

工藝評定試件按JB4730-2005要求拍片4張；對復(fù)層焊縫進(jìn)行滲透檢測，按照J(rèn)B4730-2005要求，Ⅰ級(jí)，合格；按NB/T47014-2011附錄A的要求加工試樣，并進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)（見表4）和復(fù)層焊縫金屬化學(xué)成份分析（見表5），全都符合要求。

3 實(shí)際生產(chǎn)注意事項(xiàng)

1）根據(jù)焊接工藝評定和實(shí)際生產(chǎn)條件，編制合理的焊接工藝。

2）嚴(yán)格控制下料、坡口加工、滾圓、組對、單節(jié)筒體加固的質(zhì)量。

3）焊接前坡口及兩側(cè)的油污、鐵銹、氧化鐵清理干凈，基層一側(cè)要用專用的碳鋼鋼絲刷，復(fù)層一側(cè)要用專用的不銹鋼鋼絲刷。

4）焊前焊條及焊劑要嚴(yán)格按規(guī)定烘干，焊絲要除銹、油污等。

5）焊接時(shí)要嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程。特別是T型接頭處焊縫的焊接，要求縱縫兩端約100mm的過渡層和復(fù)層焊縫必須在環(huán)向基層焊縫焊完后再焊接

6）過渡層焊接應(yīng)采用小電流，稍微大點(diǎn)的焊接速度，盡量減小熔合比，保證焊縫的奧氏體組織。

7）由于16Mn鋼與316L不銹鋼物理性能差異大，基層厚度方向會(huì)產(chǎn)生很大殘余應(yīng)力，在氣溫低于0℃時(shí)，必須預(yù)熱，以防止裂紋。

8）復(fù)層不銹鋼焊接完畢，要進(jìn)行酸洗鈍化處理，保證耐蝕度。

4 結(jié)論

嚴(yán)格按照以上焊接規(guī)范進(jìn)行施焊，完成了6臺(tái)容器的制造，按照J(rèn)B4730-2005要求拍片，一次拍片合格率達(dá)97.2%，完全達(dá)到設(shè)計(jì)質(zhì)量的要求。而產(chǎn)品自交付以來，運(yùn)行正常，說明所選用的焊接工藝是可行的，為同類產(chǎn)品焊接提供了借鑒。

【參考文獻(xiàn)】

[1]焊接手冊2[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社.

[2]NB/T47014-2011 承壓設(shè)備焊接工藝評定[Z].

[3]胡華忠.不銹鋼復(fù)合板的焊接工藝探討[Z].

[責(zé)任編輯：楊玉潔]