论文部分内容阅读
[摘 要]通过气压包制造实例确认了18MnMoNbR+S30403不锈钢复合钢板的焊接工艺，从复合钢板的焊接性分析、焊接方法和焊接材料选择、焊接接头形式选择、焊接工艺评定等方面进行了论述，以此确认出合理的不锈钢复合钢板的焊接工艺，达到设计和制造要求。
[关键词]18MnMoNbR+ S30403 复合钢板 焊接 工艺评定
中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）25-0002-03
引言
18MnMoNbR+S30403不锈钢复合钢板是一种新型材料， 其基层为18MnMoNbR， 复层为S30403奥氏体不锈钢。不锈钢复合钢板兼有两种钢材的优点， 复合钢板是一种制造成本低、具有良好综合性能的金属材料，具有很高的经济价值。复合钢板制造及焊接工艺较复杂，特别是对过渡层及复层的焊接质量要求很高，有关不锈钢复合钢板工艺的文献较多，但关于18MnMoNbR+S30403不锈钢复合钢板焊接工艺的研究目前较少。
某公司承接气压包容器，容器类别Ⅲ类，设计压力26.5MPa，设计温度450摄氏度，容器规格Ф800mm*13000mm，介质为脱盐水/饱和水蒸汽，主要受压材料为18MnMoNbR+S30403复合钢板。不锈钢复合钢板的焊接是防腐蚀的关键环节之一， 因此， 研究其焊接工艺不仅具有重要意义， 而且可为同种材料的焊接提供参考。
1、产品分析
1.1 焊接性分析
为保证复合钢板不因焊接而失去原有优良的综合性能，把复合板接头分为基层的焊接、复层的焊接及复层交界处过渡区的焊接三个部分。基层18MnMoNbR属于Fe-3-3类，属于系晶粒、用Nb强化的中温压力容器用钢，低合金高强度用钢（化学成分见表1），综合机械性能较高（见表2）。该类钢的平均碳当量为0.55%，存在淬硬性和延迟裂纹敏感性。碳及合金元素的含量都较高，淬硬倾向及冷裂倾向较大，对焊缝应采取预热及焊后热处理。复层S30403属于超低碳不锈钢（化学成分见表3），发生晶间腐蚀的概率很小，力学性能较好（见表4），可采用常用的焊接进行焊接。过渡层的焊接与异种钢焊接类似，要保证过渡层的成为为奥氏体和少量铁素体，原则上不能出现马氏体，避免产生裂纹。基层和复层的含碳量和所含的合金成分也存在较大的差异，焊接时易产生合金元素稀释和渗碳等问题。焊接时过渡层焊缝必须防止产生脆硬马氏体，保证其力学性能；复层焊缝必须保证焊缝的合金成分，以确保其耐腐性能。这是不锈钢复合板焊接时的两个关键问题。化学成分的选择要依据它对钢板综合机械性能的作用为基准。复层S30403焊接过程中应适当控制焊接线能量.手工电弧焊的焊接线能量应控制在20KJ/CM以下。埋弧焊的焊接线能量应控制在35KJ/CM以下.但焊接线能量不能过小，否则焊接接头易出现淬硬组织而降低韧性.层间温度控制在200℃和300℃之间，焊后应进行消除焊接残余应力的高温回火处理。
1.2 焊接工艺制定
（1）焊接方法的选择
1）基层焊接方法
产品直径为Ф800mm，根据焊接设备的能力和具体板厚，将50mm+8mm18MnMoNbR+ S30403的复合钢板对接，18MnMoNbR基层较厚，焊接性良好，采用埋弧焊，提高生产效率。
2）过渡层的焊接方法
复合钢板基层和复层交界处的焊接属于异种钢焊接，其焊接性主要由复层和基层的物理性能、化学成分、接头形式及填充金属等因素决定。焊接此类碳钢与不锈钢的复合钢板时，容易产生的缺陷为高温结晶裂纹、液化裂纹和脆化等，因此只有选择合理的焊接工艺，才能保证焊接质量，提高焊接效率。不锈钢复合板过渡层的焊接是整个复合钢板焊接的难点，为防止基层金属对过渡层焊缝金属的稀释，因此焊接时要尽量减少熔合比，以减低对焊缝金属对的稀释作用。母材的熔合比与许多因素有关，其中焊接方法是最重要的影响因素。使用奥氏体钢或镍基合金填充材料焊接或堆焊时，各种焊接方法得到熔合比范围如表5所示。
从表5可以看出，使用焊条电弧焊的熔合比较低，变化范围小，因此焊缝成分比较稳定，这也是目前不锈钢钢板过度层焊接最常用的焊接方法。
3）复层的焊接方法
复层为S30403奥氏体不锈钢，且厚度比较薄，为减少热输入量及熔合比综合考虑采用焊条电弧焊。
（2）焊接材料
根据NB/T47015-2011《压力容器焊接规程》、图样设计温度和图样技术要求，基层18MnMoNbR焊接时，定位焊选用E6015-D1（J607）Ф3.2焊条，埋弧焊选用H08Mn2MoAФ4.0焊丝+SJ101焊剂；过渡层为保证抗裂性能和力学性能，选用E309（A302）Ф3.2焊条；复层为保证化学成分，采用E308L-16（A002）Ф4.0焊条。
1.3 焊接接头设计
气压包图样给出的是50mm+8mm18MnMoNbR+S30403对接接头，接头形式如图1并参照NB/T47015-2011有关规定，对坡口形式进行加工。
2、 焊接工艺评定
为验证拟定的焊接方法是否合理，焊接接头的性能是否满足产品设计要求，进行焊接工艺评定。根据NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》，考虑到焊接工艺评定的覆盖率，以及耐腐蚀层不参加强度计算，综合考虑进行了40mm18MnMoNbR焊条电弧焊平板对接、40mm18MnMoNbR埋弧焊平板对接及10mm18MnMoNbR表面堆焊。
2.1 焊接工艺评定一
40mm18MnMoNbR焊条电弧焊平板对接焊接接头如图2所示，焊接参数见表6，焊接工艺评定结果见表7
2.2 焊接工艺评定二
40mm18MnMoNbR埋弧焊平板对接焊接接头如图3所示，焊接参数见表8，焊接工艺评定见表9 2.3 焊接工艺评定三
10mm18MnMoNbR堆焊焊接接头如图4所示，焊接参数见表10，焊接工艺评定见表11
3、焊接工艺确定及生产应用
根据焊接工艺评定结果，参照NB/T47015和其他有关内容，确定了实际施焊工艺。
3.1 焊前准备
（1）对焊工进行培训，是其了解复合钢板的基本知识和焊接要点。按TSGZ6002-2010《特种设备焊接操作人员考核细则》基层焊工必须持有相应基材或相应类别的焊工合格证，焊接不锈钢复层之间焊缝及过渡焊缝的焊工，应当取得耐腐蚀堆焊资格。
（2）按照工艺流转卡上的程序领料、下料、机械加工坡口、坡口探伤、圈圆、点固、热处理、装引弧板等。用剪床切割不锈钢复合板时，复层朝上。用等离子弧切割和加工坡口时，复层朝上，从复层侧开始切割，一面放切割余量，避免将切割的熔渣溅落在复层表面上。组装前检查待焊区坡口的正确性。组装前母材两侧25mm范围内彻底清污并打磨出金属光泽，并做好覆层防护。焊前坡口表面按要求进行检测，合格后施焊。在基层上定位焊点固均匀。
（3）对焊接材料进行烘干和保温。
3.2 基层预热
对基层18MnMoNbR进行焊前预热，预热温度≥100℃，预热范围为焊缝两侧不小于100mm。预热焊件的温度在整个焊接过程中不低于预热温度。
3.3 焊接参数及注意事项
（1）根据焊接工艺评定，确定产品焊接接点图（图5）及焊接参数（表12）。
（2）定位焊缝只允许焊在基层母材上，不得有裂纹，否则应清除重焊；如存在气孔、夹渣应除去。熔入永久焊缝内的定位焊缝两端应便于接弧，否则应予修整。
（3）焊缝基层焊接后焊后磨平，并及时消氢处理，清根后焊接过渡层，焊接24小时后先进行100%衍射时差法超声检测（TOFD）探伤，达NB/T47013.10-2010的Ⅱ级合格。
（4）清理过渡层基层焊缝及坡口，为了控制稀释率，采用小电流、快速焊、不摆动的焊接工艺，焊至高于复合界面0.5～1.5mm。焊接过渡层和复层时应确保小线能量。去除引弧板回圆后，对基层100%衍射时差法超声检测（TOFD）探伤，达NB/T47013.10-2012的Ⅱ级合格。过渡层100%PT探伤，按NB/T47013.5-2012的Ⅰ级合格。
（5）焊接时要严格执行焊接工艺规程。
4、结论
采用此焊接工艺施焊的产品经无损检测及力学性能试验结果均符合要求，证明该焊接工艺可行。该设备检验合格，目前已投入使用。
参考文献
[1] 王国璋.压力容器焊接实用手册[M].北京：中国石化出版社，2013.
[2] 邹增大.焊接材料、工艺及设备手册[M].北京：化学工业出版社，2010.
[3] 陈祝年.焊接工程师手册[M].北京：机械工业出版社，2009.
[4] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册 第2卷 材料的焊接（第三版） [M].北京：机械工业出版社，2007.
[关键词]18MnMoNbR+ S30403 复合钢板 焊接 工艺评定
中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）25-0002-03
引言
18MnMoNbR+S30403不锈钢复合钢板是一种新型材料， 其基层为18MnMoNbR， 复层为S30403奥氏体不锈钢。不锈钢复合钢板兼有两种钢材的优点， 复合钢板是一种制造成本低、具有良好综合性能的金属材料，具有很高的经济价值。复合钢板制造及焊接工艺较复杂，特别是对过渡层及复层的焊接质量要求很高，有关不锈钢复合钢板工艺的文献较多，但关于18MnMoNbR+S30403不锈钢复合钢板焊接工艺的研究目前较少。
某公司承接气压包容器，容器类别Ⅲ类，设计压力26.5MPa，设计温度450摄氏度，容器规格Ф800mm*13000mm，介质为脱盐水/饱和水蒸汽，主要受压材料为18MnMoNbR+S30403复合钢板。不锈钢复合钢板的焊接是防腐蚀的关键环节之一， 因此， 研究其焊接工艺不仅具有重要意义， 而且可为同种材料的焊接提供参考。
1、产品分析
1.1 焊接性分析
为保证复合钢板不因焊接而失去原有优良的综合性能，把复合板接头分为基层的焊接、复层的焊接及复层交界处过渡区的焊接三个部分。基层18MnMoNbR属于Fe-3-3类，属于系晶粒、用Nb强化的中温压力容器用钢，低合金高强度用钢（化学成分见表1），综合机械性能较高（见表2）。该类钢的平均碳当量为0.55%，存在淬硬性和延迟裂纹敏感性。碳及合金元素的含量都较高，淬硬倾向及冷裂倾向较大，对焊缝应采取预热及焊后热处理。复层S30403属于超低碳不锈钢（化学成分见表3），发生晶间腐蚀的概率很小，力学性能较好（见表4），可采用常用的焊接进行焊接。过渡层的焊接与异种钢焊接类似，要保证过渡层的成为为奥氏体和少量铁素体，原则上不能出现马氏体，避免产生裂纹。基层和复层的含碳量和所含的合金成分也存在较大的差异，焊接时易产生合金元素稀释和渗碳等问题。焊接时过渡层焊缝必须防止产生脆硬马氏体，保证其力学性能；复层焊缝必须保证焊缝的合金成分，以确保其耐腐性能。这是不锈钢复合板焊接时的两个关键问题。化学成分的选择要依据它对钢板综合机械性能的作用为基准。复层S30403焊接过程中应适当控制焊接线能量.手工电弧焊的焊接线能量应控制在20KJ/CM以下。埋弧焊的焊接线能量应控制在35KJ/CM以下.但焊接线能量不能过小，否则焊接接头易出现淬硬组织而降低韧性.层间温度控制在200℃和300℃之间，焊后应进行消除焊接残余应力的高温回火处理。
1.2 焊接工艺制定
（1）焊接方法的选择
1）基层焊接方法
产品直径为Ф800mm，根据焊接设备的能力和具体板厚，将50mm+8mm18MnMoNbR+ S30403的复合钢板对接，18MnMoNbR基层较厚，焊接性良好，采用埋弧焊，提高生产效率。
2）过渡层的焊接方法
复合钢板基层和复层交界处的焊接属于异种钢焊接，其焊接性主要由复层和基层的物理性能、化学成分、接头形式及填充金属等因素决定。焊接此类碳钢与不锈钢的复合钢板时，容易产生的缺陷为高温结晶裂纹、液化裂纹和脆化等，因此只有选择合理的焊接工艺，才能保证焊接质量，提高焊接效率。不锈钢复合板过渡层的焊接是整个复合钢板焊接的难点，为防止基层金属对过渡层焊缝金属的稀释，因此焊接时要尽量减少熔合比，以减低对焊缝金属对的稀释作用。母材的熔合比与许多因素有关，其中焊接方法是最重要的影响因素。使用奥氏体钢或镍基合金填充材料焊接或堆焊时，各种焊接方法得到熔合比范围如表5所示。
从表5可以看出，使用焊条电弧焊的熔合比较低，变化范围小，因此焊缝成分比较稳定，这也是目前不锈钢钢板过度层焊接最常用的焊接方法。
3）复层的焊接方法
复层为S30403奥氏体不锈钢，且厚度比较薄，为减少热输入量及熔合比综合考虑采用焊条电弧焊。
（2）焊接材料
根据NB/T47015-2011《压力容器焊接规程》、图样设计温度和图样技术要求，基层18MnMoNbR焊接时，定位焊选用E6015-D1（J607）Ф3.2焊条，埋弧焊选用H08Mn2MoAФ4.0焊丝+SJ101焊剂；过渡层为保证抗裂性能和力学性能，选用E309（A302）Ф3.2焊条；复层为保证化学成分，采用E308L-16（A002）Ф4.0焊条。
1.3 焊接接头设计
气压包图样给出的是50mm+8mm18MnMoNbR+S30403对接接头，接头形式如图1并参照NB/T47015-2011有关规定，对坡口形式进行加工。
2、 焊接工艺评定
为验证拟定的焊接方法是否合理，焊接接头的性能是否满足产品设计要求，进行焊接工艺评定。根据NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》，考虑到焊接工艺评定的覆盖率，以及耐腐蚀层不参加强度计算，综合考虑进行了40mm18MnMoNbR焊条电弧焊平板对接、40mm18MnMoNbR埋弧焊平板对接及10mm18MnMoNbR表面堆焊。
2.1 焊接工艺评定一
40mm18MnMoNbR焊条电弧焊平板对接焊接接头如图2所示，焊接参数见表6，焊接工艺评定结果见表7
2.2 焊接工艺评定二
40mm18MnMoNbR埋弧焊平板对接焊接接头如图3所示，焊接参数见表8，焊接工艺评定见表9 2.3 焊接工艺评定三
10mm18MnMoNbR堆焊焊接接头如图4所示，焊接参数见表10，焊接工艺评定见表11
3、焊接工艺确定及生产应用
根据焊接工艺评定结果，参照NB/T47015和其他有关内容，确定了实际施焊工艺。
3.1 焊前准备
（1）对焊工进行培训，是其了解复合钢板的基本知识和焊接要点。按TSGZ6002-2010《特种设备焊接操作人员考核细则》基层焊工必须持有相应基材或相应类别的焊工合格证，焊接不锈钢复层之间焊缝及过渡焊缝的焊工，应当取得耐腐蚀堆焊资格。
（2）按照工艺流转卡上的程序领料、下料、机械加工坡口、坡口探伤、圈圆、点固、热处理、装引弧板等。用剪床切割不锈钢复合板时，复层朝上。用等离子弧切割和加工坡口时，复层朝上，从复层侧开始切割，一面放切割余量，避免将切割的熔渣溅落在复层表面上。组装前检查待焊区坡口的正确性。组装前母材两侧25mm范围内彻底清污并打磨出金属光泽，并做好覆层防护。焊前坡口表面按要求进行检测，合格后施焊。在基层上定位焊点固均匀。
（3）对焊接材料进行烘干和保温。
3.2 基层预热
对基层18MnMoNbR进行焊前预热，预热温度≥100℃，预热范围为焊缝两侧不小于100mm。预热焊件的温度在整个焊接过程中不低于预热温度。
3.3 焊接参数及注意事项
（1）根据焊接工艺评定，确定产品焊接接点图（图5）及焊接参数（表12）。
（2）定位焊缝只允许焊在基层母材上，不得有裂纹，否则应清除重焊；如存在气孔、夹渣应除去。熔入永久焊缝内的定位焊缝两端应便于接弧，否则应予修整。
（3）焊缝基层焊接后焊后磨平，并及时消氢处理，清根后焊接过渡层，焊接24小时后先进行100%衍射时差法超声检测（TOFD）探伤，达NB/T47013.10-2010的Ⅱ级合格。
（4）清理过渡层基层焊缝及坡口，为了控制稀释率，采用小电流、快速焊、不摆动的焊接工艺，焊至高于复合界面0.5～1.5mm。焊接过渡层和复层时应确保小线能量。去除引弧板回圆后，对基层100%衍射时差法超声检测（TOFD）探伤，达NB/T47013.10-2012的Ⅱ级合格。过渡层100%PT探伤，按NB/T47013.5-2012的Ⅰ级合格。
（5）焊接时要严格执行焊接工艺规程。
4、结论
采用此焊接工艺施焊的产品经无损检测及力学性能试验结果均符合要求，证明该焊接工艺可行。该设备检验合格，目前已投入使用。
参考文献
[1] 王国璋.压力容器焊接实用手册[M].北京：中国石化出版社，2013.
[2] 邹增大.焊接材料、工艺及设备手册[M].北京：化学工业出版社，2010.
[3] 陈祝年.焊接工程师手册[M].北京：机械工业出版社，2009.
[4] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册 第2卷 材料的焊接（第三版） [M].北京：机械工业出版社，2007.