耐热钢-不锈钢复合钢板容器的焊接

耐热钢-不锈钢复合钢板容器的焊接

杨钦权

大庆油田工程建设有限公司建材公司石油石化设备厂黑龙江大庆市163300

摘要：通过对耐热钢-不锈钢复合钢板的焊接工艺试验及焊接工艺评定，确定了合理的焊接工艺及热处理工艺，并成功运用4台复合钢板换热器的焊接制造中，取得了良好效果，不仅保证了产品的各项力学性能及不锈钢复层的耐蚀性能达到指标，还为同类产品的焊接积累了宝贵的经验。

关键词：复合钢板；耐蚀性；焊接工艺；评定

耐热钢不锈钢复合钢容器的焊接，通过大量焊接工艺试验，选择了最佳焊接坡口、焊接方法、焊接工艺参数及热处理工艺，通过了焊接工艺评定，顺利完成了产品的制造任务，该批设备自投用以来，运行良好。

1.焊接制造难点

一、基层材质为15CoMoR珠光体耐热钢，有一定的淬硬倾向，故基层及过渡层焊前必须预热，焊后需做消氢处理。而本产品直径较大，焊前均匀预热及维持道间温度有一定的困难，冷却速度较快，并在扩散氢及焊接残余应力作用下，焊缝易产生冷裂纹。

二、采用常规的焊接坡口易造成因界限不清而使基层焊缝熔入不锈钢复合层中，仅靠砂轮机打磨往往不彻底，不能直观地反映是否清除，从而影响复层焊缝的耐蚀性能，并有导致复层焊缝开裂可能；而采用台阶形的坡口形式虽能很好地解决这一问题，但对大型板料加工起来较为困难，往往因坡口尺寸不到位而产生焊接缺陷。

三、焊接不锈钢复合层时，由于不锈钢与耐热钢的导热系数及线膨胀系数差异较大，因而焊接时存在着较大的应力，在焊接及热处理多次热循环过程中，有可能造成复合层结合部位局部开裂。

四、复合钢板的坡口组对要求严格，由于受现场施工条件的限制，局部错边量及棱角度往往难以控制，这将直接影响不锈钢耐蚀层的焊接质量。

2.焊接试验

2.1焊接性分析

15CoMoR+321复合钢板的基层材质十一铬钼为基的低合金珠光体耐热钢，根据国际焊接学会推荐的碳当量计算公式得出该钢材的碳当量为0.55%，故有一定的淬硬倾向，焊接过程中要有严格的防止冷裂纹的工艺措施，特别是钢板卷制成型后，存在着一定的内应力，若冷却速度较快，其接头的冷裂倾向会更严重。故基层及过渡层焊接时，应严格做到焊前预热，焊接过程中控制道间温度，焊后及时消氢处理、中间热处理及最终热处理。对于复合钢板而言，过渡层的焊接是比较关键的技术，因基层与复层的导热系数及线膨胀系数有较大的差异，焊接过程中会产生较大的内应力，如果基层焊缝尺寸控制不当，覆盖不锈钢复合层或溶合比控制不当，则焊接接头易产生马氏体组织，故焊接时应严格按工艺要求运作，控制焊缝尺寸和溶合比，以避免裂纹的产生。针对铬钼耐热钢—不锈钢复合钢板容器焊后需整体效应热处理，其热处理温度整好处于奥氏体敏化温度区范围，在此温度区长时间停留易造成碳的析出及碳化铬的结合而在晶界产生贫铬区，从而使焊缝产生晶间腐蚀；同时在该温度范围较长时间停留，铁素体相有转化为硬脆而无磁性的相的倾向，这不但降低了焊缝的塑性和韧性，还增大了晶间腐蚀的倾向，为解决这一矛盾，从复层焊材的选型试验及控制热处理工艺入手，使焊缝组织不仅满足了其力学性能的要求，也保证了复层耐蚀性的要求。

2.2焊接试验及结果分析

从试验结果可知：（1）选用超低碳且同时含强化碳化物形成元素Nb的奥氏体不锈钢焊材，才能确保焊缝在热处理后仍具有抗晶间腐蚀能力，而选用单纯Nb或超低C的不锈钢焊材均不能满足其耐蚀性的要求。（2）热处理后铁素体质量分数有所降低。

3.焊接工艺评定

3.1焊缝坡口形式的选择

复合钢板焊接接头的坡口选择原则为：在保证焊透、方便操作的前提下尽可能减小不锈钢复层的截面尺寸，以节约不锈钢焊材及减小焊接缺陷，根据本产品的直径及钢板厚度，结合本公司实际情况及多年焊接复合钢板及耐热钢的实践经验，采用开台阶破口形式较为合理，因为该坡口基层与复层界面较分明，施焊时不会将基层覆盖到不锈钢复层中，可操作性好，有利于提高焊接质量，而采用双坡口形式，除不具备以上优点外，还有不利因素，焊工需要在容器内侧进行基层的焊接工作，预热温度及道间温度较高，焊工劳动条件差，且外侧需清根处理，将增加清根时预热、后热及打磨后重新施焊焊前预热工序，现场操作较为困难，故焊接工艺评定及产品焊接均选用开台阶破口。

3.2焊接方法的选择及工艺参数

基层焊缝：打底层及内侧采用手工无极氩弧焊，第2层采用焊条电弧焊，其他层采用埋弧焊，复层焊缝：过渡层与复层的焊接均采用高效的半自动CO2气体保护焊，可连续焊接，减少焊接接头，焊缝成形也好，焊接速度为焊条的2—3倍，该焊接方法已普遍用于本公司复合钢板焊接中。

3.3工艺评定结果：对焊接试板进行100%X-RT检查，按JB4730-94Ⅱ级合格。

4、产品施焊工艺

4.1产品的组队

（1）组队时应以复层为基准，对口错变量严格控制在1mm以下，以防止施工过程中因错边量过大影响焊接质量。

（2）组队间隙应按规定，根部间隙达2-3mm，合格后进行点固，点固焊及工卡具应焊在基层面一侧进行，且应采用与焊接基层相同的焊接材料及焊接方法。

4.2焊前预热及道间温度的控制：一般对15CoMoR钢的预热温度控制在150-200℃左右，道间温度也控制在此范围内。

4.3焊接工艺要点

（1）点固焊在基层侧，必须按规定预热，焊点要长些，以免焊点剥裂，基层焊接前应仔细检查点固点焊肉，不得有任何缺陷，并在达到预热温度后方可正式施焊。

（2）焊接顺序为先焊基层，再焊过渡层最后焊复层。焊接纵缝时，应将每条焊缝的过渡层及复层两端各留30-50mm不焊，待环焊缝基层焊接完毕再将纵焊缝两端焊接成形，这样可以避免丁字焊口基层焊缝熔入不锈钢复层中，减少焊接裂纹的产生。

（3）所使用的焊材均应按照使用说明书要求烘培，焊条装入保温桶内，随用随取，不得使用受潮焊条。

4.4焊后热处理

耐热钢-复合钢板焊后热处理程序较为复杂，每步程序执行情况都与产品整体质量有着密切关系，焊后热处理分为中间热处理和最终热处理，基层，过渡层焊后随即进行的现场热处理为中间热处理，其目的在于消除扩散氢及残余应力，而最终热处理的目的不仅在于消除焊接残余应力和结构应力，降低不锈钢复层应力腐蚀及开裂敏感性，更重要的是改善基层组织，提高基层接头的综合力学性能。但同时又要综合考虑，尽量让奥氏体不锈钢复层在敏化区间的时间短些，以减少碳化铬的析出。

5、结论

（1）复合钢板的焊接采用台阶形坡口形式，便于焊工操作，易于控制焊缝尺寸，保证焊接质量。

（2）耐热钢-不锈钢复合钢容器的制造难度大，工序繁琐，产品制作过程必须严格按规定的工艺流程进行，基层与过渡层的焊前预热及道间温度应予以保证，基层，过渡层焊缝应做到每条焊缝一次连续性焊完。