不锈钢复合板焊接的探讨

不锈钢复合钢焊接的探讨隋云明(中国石油天然气第七建设公司山东胶州266300)摘要：随着石油装置大型化的趋势，出于对制造成本的要求，促使炼油化工设备的制造采用不锈钢复合钢材料。本文针对经常出现的复合钢焊接裂纹产生的原因进行了分析，提出了有针对性的焊接措施，可有效的避免焊接裂纹。关键词：不锈钢复合钢焊接裂纹措施1前言不锈钢复合钢板是由不锈钢与其他钢种(如碳钢、低合金钢等)通过轧制、爆炸等方法复合而成的，这种材料同时具备了复层不锈钢和基层金属的特性。使用不锈钢复合钢板建造炼化设备既保证了设备的实际使用要求，同时又较大的降低了生产成本。随着石油炼化装置大型化的趋势，出于对制造成本的要求，促使炼油化工设备的制造越来越多的使用不锈钢复合钢。不锈钢复合钢板的焊接不仅包括基层和复层的焊接，而且在基层和复层焊缝的交界处还需要进行过渡层的焊接。焊缝位置示意见图1。基层和复层在物理性能、化学成分上存在较大差异。复合钢板焊接接头不但要保证力学性能，而且还要保证所要求的耐蚀性能等。一般情况下应对基层、复层分别进行焊接，焊接材料、焊接工艺等分别按基层、复层来选择。但基层和复层交界处的焊接属于异种金属的焊接，并且形成的过渡层焊缝成分、组织更加复杂。因此不锈钢复合钢焊接的有着较大的难度。焊接裂纹是不锈钢复合钢焊接最主要的缺陷，解决焊接裂纹问题是不锈钢复合钢焊接的关键。2焊缝裂纹产生原因分析2.1不锈钢复合钢是由化学成分和物理性能有很大差异、焊接性也有重大差别的两种钢材复合而成的，因而不可能用单一焊材和焊接工艺进行焊接。焊接时，应对基层和复层区别对待。如果单独采用适合于基层的焊材和焊接工艺，则焊接复层时焊缝会出现马氏体组织，不仅力学性能、耐蚀性能等使用性能不能满足材料要求，还容易产生焊接裂纹。如果单采用适合复层的焊接材料焊接，虽然能保证复层的使用性能，但基层则增大了裂纹倾向。因此，在焊接不锈钢复合钢时，力学将基层的焊接尽可能同复层的焊接区分开来。由于基层焊缝对复层焊缝的稀释作用，将降低复层焊缝中的铬镍含量，增加复层焊缝的含碳量，易导致复层焊缝中产生马氏体组织，从而降低焊接接头的塑性和韧性，并影响复层焊缝的所需要的性能。基层焊接时可能熔化不锈钢复层使得合金元素掺入而导致碳钢基层焊缝金属严重硬化和脆化，对冷裂纹极为敏感，易产生裂纹。不锈钢复合板焊接要求基层施焊时不得将基层金属沉积在复层上，复合层金属不允许熔入基层内。2.2由于复合板多为采用爆炸法进行复合的，在复合过程中，因为工艺因素的影响，复合板的四周边缘位置往往是缺陷集中、应力集中的区域，如化学成分不均匀、分层，特别是裂纹集中的地方。而焊缝处在复合板的边缘位置，由于焊接冶图1焊缝位置1基层焊缝2过渡层焊缝3复层焊缝复层基层金过程的影响，有可能产生焊接裂纹。2.3基层用钢(主要为碳钢、低合金钢)与复层用钢(主要为奥氏体不锈钢)的物理性能有较大差异。由于奥氏体不锈钢的导热系数较低，热膨胀系数较大，焊接接头在冷却过程中，奥氏体钢比基层金属收缩变形大，而基层金属却强烈束缚着过渡层金属的收缩。在焊缝方向上，过渡层受拉应力作用。如果过渡层存在硬脆的马氏体组织，在热应力的作用下，很容易产生裂纹，马氏体组织越多，焊缝裂纹敏感性越强。2.4在焊接时，采用大的线能量焊接，易产生较大的焊接应力，焊接线能量太大，会造成焊接热影响区扩大和使焊缝及焊接热影响区组织晶粒粗化，容易产生淬硬组织，降低焊缝韧性且不利于减少稀释率。在其它因素共同作用下，增大了开裂倾向。2.5过渡层焊缝可有效防止基层焊缝母材的稀释，保证复层焊缝化学成分达到使用要求。对于不锈钢复合钢焊接而言，这是确保接头质量的一个重要方面。焊接过渡层的目的主要是为了补偿由于稀释所引起的合金元素(如铬、镍等)降低，使复层焊缝的合金成分保持应有的水平。过渡层焊接就是较为复杂的异种钢焊接，如果焊材选用不当，就不能保证复层焊缝性能，且可能因此产生裂纹。不锈钢复合钢过渡层的焊接可通过舍夫勒组织图选用焊材，一般选用高铬镍焊材。2.6由于焊工自身的技术水平问题，焊接操作时运条不平稳，没有控制基层焊缝高度和宽度，使基层高出了复合界面，或者复层母材熔入基层焊缝。如果基层焊缝偏高，则过渡层焊缝厚度会减小，焊接复层时由于焊接电流大而熔透过渡层，会造成复层金属熔入基层焊缝，这些都会造成更复杂成分和组织的焊缝，易形成裂纹。因此，焊前应加强焊工的培训考试工作，提高焊工的操作水平。2.7容器纵缝焊接时，应将过渡层和复层焊缝两端各留30-50mm不焊，待环缝基层焊接后，再将纵缝两端焊接成型。在实际施工中，往往将纵缝过渡层和复层一次焊满焊接环缝时，将纵缝端部的过渡层焊缝熔入了环向的基层焊缝，由于T型焊缝处焊接应力较其他处复杂，可能产生裂纹等缺陷。因此，在不锈钢复合钢的容器制造时，纵缝T型焊缝处的焊接应特别加以重视。2.8焊缝返修比较复杂，从基层侧开始返修，当缺陷靠近复合界面时，在补焊过程中可能将过渡层焊缝金属熔入基层焊缝。从复层侧开始返修，复合界面难以分清，补焊基层时，可能熔入复层。这样的情况下，焊缝成分、组织不易控制。另外局部区域的补焊会有较大的拘束应力。这些因素共同作用，使返修部位焊缝易产生裂纹。因此，复合钢焊缝缺陷返修前，必须先测定缺陷所在位置。复层的缺陷从复层侧返修，用过渡层焊条补焊，复层焊条盖面。而远离复合界面的基层焊缝缺陷，从基层侧返修。3复合钢焊接措施3.1焊接方法可采用焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊等。但靠近复合界面的基层焊缝、过渡层焊缝和复层最好选用焊条电弧焊复层和钨极氩弧焊。如果使用埋弧焊等大线能量的焊接方法焊接，焊接工艺不易控制，焊接时容易熔透过渡层焊缝，使过渡层金属、复层金属与基层金属相熔合，产生马氏体组织或更复杂的相而增大开裂倾向，同时不易保证复层的性能。3.2焊接不锈钢复合钢的复层之间焊缝及过渡层焊缝的焊工选取技术精湛的熟练焊工。这些焊工除取得《锅炉压力容器压力管道焊工考试与管理规则》考试合格证，还必须按要求取得相应的耐蚀堆焊资格。3.3焊前应根据评定合格的焊接工艺、产品的结构特点、设计要求等制订出合理的焊接工艺文件。焊工施焊必须严格遵守焊接工艺文件。3.4复合钢焊接遵循先焊基层，再焊过渡层，最后焊复层的焊接顺序。基层焊缝应打磨平整且检查合格后才能开始过渡层的焊接。3.5不锈钢复合钢板的焊接对过渡层覆盖范围和过渡层的厚度均有一定要求。如图1中所示，一般条件下过渡层焊缝在复层侧厚度a=0.5-1.5mm，在基层侧厚度b=1.5-2.5mm。过渡层焊缝金属必须完全覆盖基层金属。但在焊接过程中焊工往往分辨不清复合界面，依靠手工操作难以保证技术要求的b值。因此需要设计合理的坡口型式。现各单位普遍采用图2型式坡口，从复合界面向下除去深1.5-2mm、宽5-10mm的基层金属。这样焊接时只要把基层部分坡口填满，就保证了基层焊缝厚度，便于过渡层的焊接操作，从而也满足了接头设计强度要求，且不必担心焊接基层焊缝时会误熔化复层材料。质量控制主要靠结构来保证，从根本上排除了不确定的人为因素，能较好的使基层焊缝达到焊接要求。采用图2型式的坡口也有利于解决复合板边缘问题。图2坡口型式3.6坡口加工一般采用机械加工方法。如果采用等离子切割加工，必须对坡口表面进行打磨，避免坡口表面在等离子切割时发生金属稀释现象，对焊接接头产生复层基层进一步影响。加完的坡口进行外观检查，坡口不得有裂纹和分层的存在。坡口附近20mm范围应清理干净，不得又油污和锈蚀。施焊前须在不锈钢复合钢板复层坡口内及两侧各100mm范围内刷涂防飞溅涂料。3.7过渡层的焊接属于异种材料焊接。它是保证不锈钢复合板焊接质量的关键，也是不锈钢复合板焊接难度较大的区域。焊接过渡层时，要在保证熔合良好的情况下尽量减少基层金属的熔入量，为此应采用较小直径的焊条或焊丝及较小的焊接线能量，多道不摆动快速焊，减少基层金属的熔入量，减小焊缝金属的稀释率。过渡层焊缝应同时熔合基层焊缝、基层母材和复层母材，且必须完全焊满基层焊缝和基层母材，不能有裸露的基层焊缝和基层母材直接与复合层相焊。3.8复层焊接前，必须将过渡层焊缝表面和坡口边缘清理干净。复层焊接时，采用不摆动快速焊，并采用较小的焊接线能量。必须严格控制复层焊接时的电流，防止焊接复层时熔透过渡层焊缝。复层的焊接应不少于2层，有利于获得与母材相同的性能。奥氏体不锈钢复层焊接时控制层间温度，一般不超过60℃为宜。3.9不锈钢复合钢制造的容器，当基层需要进行焊后热处理时，按基层金属要求选择热处理加热温度。当复层为铁素体或马氏体不锈钢复合钢制造的容器，按复层材料要求进行焊后热处理。但采用奥氏体不锈钢焊接材料焊接时，并且基层不要求焊后热处理时，一般不进行焊后热处理。是否进行焊后热处理这个问题必须慎重决定。不锈钢复合钢焊后热处理时，对于不同材料有不同影响。由于复层材料与基层材料物理性能(尤其是热膨胀系数)差异很大，在热处理过程中，复合界面附近会产生较大的应力，影响复合界面结合强度甚至引起局部脱层。同时，不含稳定化元素的奥氏体复层在焊后热处理过程中，可能有碳化铬析出，降低复合钢的耐蚀性。因此，要尽量避免不锈钢复合钢的焊后热处理。3.10为了保证不锈钢复合钢的耐蚀性，焊后对复层焊缝区表面进行酸洗钝化处理。4结束语我公司承造的抚顺石化800万吨/年常减压装置工程初馏塔（20R+0Cr13Al）、减压塔(16MnR+0Cr13)、常压塔（下段20R+OCr18Ni10Ti）和辽阳石化500万吨/年常减压装置工程初馏塔常压塔（20R+OCr18Ni10Ti）等设备的现场组焊在不锈钢复合钢焊接时采取了有针对性的措施，未产生焊接裂纹。通过焊接实例证明，这些措施对控制焊接裂纹是有效的，为以后不锈钢复合钢的焊接积累了经验。作者简介：隋云明，工程师，1986年毕业于广东石油学校炼机专业，现任七建公司总经理助理，质量部经理职务，20多年来长期从事技术质量管理工作。通讯地址：山东省胶州市胶州西路377号，邮编：266300。