不锈钢复合板防止焊缝裂纹产生的制造技术

张然 汪心洋

摘要：不锈钢复合板焊缝焊接过程中为防止焊缝过渡层及复层出现冷、热裂纹，所采取正确的制造工艺及焊接方法，检测手段；

关键词：不锈钢复合板，焊缝裂纹，复合板材料，焊接工艺，焊前预热，错边量

某公司压力容器厂为某沥青公司制造的净氨塔产品，直径φ3600mm，其材质为Q345R+316L，厚度δ（36+3）mm，设计压力2.03MPA，该产品在制造时为了避免复层焊后经常会出现较大面积的横向或纵向的冷、热裂纹，该公司技术部门针对焊缝裂纹产生的原因及机理特征进行了分析，并编制了合理的坡口加工形式，正确的焊接方法及施焊工艺，完善的检验检查手段，同时通过良好的监督执行机制，最终取得了很好的成效，成功的避免了焊缝复层在焊后极易产生裂纹的问题，并给今后相关产品制造带来很好的示范效应，内容如下：

1.过渡层产生裂纹的原因

由于Q345R和316L两种钢种的物理性能化学成分的差异以及晶体组织和力学性能的不同，导致在焊接中出现以下问题。

1.1焊接時，接头过渡层发生严重的碳迁移及组织性能的变化，即界面发生扩散运动而使碳迁移，在基层侧（Q345R）形成脱碳层，而在复合侧（316L）形成增碳层，两侧性能相差悬殊。由于组对时受力不均，因而容易引起应力集中。

1.2两种钢的线膨胀系数相差较大，在焊接过渡层近界面部位产生附加应力，导致焊缝产生裂纹。

1.3焊接时，虽然加入了合金元素如Cr、Ni、 Mo、 Ti等稀有金属，但对母材仍产生稀释问题，从而在焊缝中产生淬硬的马氏体组织，对接头极为不利。

2.复合板材料的选择

碳钢与不锈钢爆炸焊时，由于工艺参数不当，且不锈钢复层多含有Cr、Ni、 Mo、 Ti等稀有金属容易在接合面交界处产生硬化的合金层，当进行弯曲试验时，这种合金层容易形成裂纹。因此，使用爆炸焊复合钢制造承受弯曲载荷的结构时，必须选用没有硬化合金层的爆炸焊复合钢。

不锈复合钢冷轧薄钢板的力学性能应符合基层材料相应标准的规定，在弯曲部分的外侧允许产生裂纹，复合界面不允许分层。

3.合理的焊接工艺

3.1在选择焊缝坡口形式时，采用图2所示的焊接坡口形式，这种坡口形式的优点是：

（1）坡口尺寸标注以复层为基准，尽量使复层对齐，以保证其耐腐蚀性能。

（2）基层与复层完全分开，便于焊工实际操作。

（3）在剥离复层侧时，向基层刨去深度1mm，增加了复层的厚度，保证了过渡层和复层的焊接质量，增加l耐腐蚀性能。

（4）在复层侧设计30°斜角，可以防止焊缝夹渣和未熔合缺陷。

（5）有利于基层进行x射线探伤检查，易于发现缺陷，便于返修。

（6）双面V型坡口有效的减少了焊缝内侧或外侧应力集中，使得复层焊接后较少出现拉裂现象。

3.2焊接坡口工艺参数及焊接设备的选择

焊接坡口的选择原则是基体融合的焊缝金属量愈少愈好，即融合比越小越好，其目的是减少马氏体组织，避免或减少出现冷裂纹。坡口形式如图二所示。同时为了减少合金元素的稀释，也应减少融合比，采用小电流，快速焊接。需要指出的是，线能量不能过小，也不能过大。线能量过小，会增大熔合区的硬化程度，对韧性和防止裂纹不利，极易出现再热裂纹；线能量过大，会促使马氏体组织的形成，同时增大了奥氏体过热，易使焊缝脆化。所以说，只有使用适中的线能量，才能既保证熔合比较小，又能防止再热裂纹及脆化。焊机采用选用AX-500S焊机，直流反接。

4.焊接方法和焊接材料的选择

4.1焊接方法选用基层采用埋弧自动焊，同时为了保证焊接质量及减少应力，过渡层和复层采用手工电弧焊。过渡层的焊接属于异种金属之间的焊接，一般要求焊缝金属或接头的强度不低于两种被焊金属的最低强度，选用焊条强度应能保证焊缝金属或接头的强度不低于两种被焊金属的最低强度，选用焊条强度应能保证焊缝及接头的强度不低于强度较低侧母材的强度，同时焊缝金属的塑性和冲击韧性不低于强度较高侧母材的性能。为防止焊接裂纹，应按强度级别较高而焊接性能较差的钢种确定焊接工艺。为了提高焊缝金属的抗裂能力，应选用抗裂性较强的低氢型焊条。

4.2 焊前预热

对于厚度大于30mm以上的基层材料，焊前需进行预热，预热的目的主要进行消氢处理，以防止氢释放不足而出现焊后延迟裂纹。

4.3 焊接操作要求

在焊接操作中，应注意以下事项：

（1）在过渡层焊接前及过渡层焊接中，应用角磨机将焊缝周围药皮清理干净，露出金属光泽，这样可以有效地防止氢熔入焊缝，从而防止冷裂纹的产生。

（2）焊接前焊条在烘干箱内350°C条件下烘干2小时，然后保温。焊接时应使用保温桶装焊条，随用随取。

（3）过渡层焊接应选用多人分段对称焊接，从而减少应力的产生。

（4）采用短弧操作，焊条在坡口两侧稍作停留，以保证焊缝与母材金属充分融合。

（5）进行多层多道焊接时，层间温度严格控制在350°C左右直至焊接结束，严格控制层间温度的目的是为了防止裂纹的产生。

（6）收弧时应注意填满弧坑，否则容易出现裂纹。

5.控制错边量

对不锈钢复合板错边量控制的要求要比普通碳钢或低合金钢严格得多，控制不锈钢复合板的错边量不超标，是保证其强度和耐蚀性能的一个关键。为此，特采取以下措施进行错边量控制：

（1）严格按照“筒体下料展开尺寸的精确解”计算展开长度，并保证实际下料尺寸准确。

（2）保证筒节滚圆质量，控制好圆度。

（3）坡口形式尺寸标注以复层为基准，确保错边量不超标。

（4）环缝组对采用“圆环形径向找圆工装”，保证简体圆度，保证组对质量。

（5）封头与筒体组对，首先保证各自的内圆周长，同时以封头周长匹配筒体周长，保证封头与筒休的组对质量。

（6）组对时以复层为基准，防止复层错边量超标。

6.施焊焊工

从事锅炉压力容器焊接工作的焊工必须按照国家质量监督检验检疫总局制定的《锅炉压力容器压力管道焊工考试与管理规则》进行考试，取得焊工合格证后，才能在有效期间内担任合格项目范围内的焊接工作。焊工必须按图样、工艺文件和技术标准施焊。焊工应在规定部位打上焊工钢印，对于有防腐要求的不锈钢以及复合钢板制压力容器不得在防腐而采用硬印作为焊工识别标志，而应用简图记录焊工代号，并将简图列入产品质量证明书中提供给用户。

7.焊接時要注意事项

为了保证不锈钢复合板原有的综合性能，应对基层、过渡层和复层分别进行焊接。不锈钢复合板焊接时，应注意以下几点：

（1）严格按照图样、焊接工艺和有关标准施焊。

（2）遵循先焊接基层，再焊接过渡层，最后焊接复层的焊接顺序。

（3）为防止沾附焊接飞溅，施焊前需在不锈钢复合板坡口两侧100mm范围内刷涂防飞溅涂料。

（4）定位焊缝只允许在基层金属而上采用焊接基层金属的电焊条施焊。

（5）基层的焊接，应严防基层焊缝熔化到不锈钢的过渡层甚至复层焊缝，以免少量高铬、高镍的不锈钢成分稀释到碳素钢焊缝中形成马氏体组织而发生硬化。在不锈钢一侧的基层焊缝尽量采用无飞溅的焊接方法（例如埋弧焊、非熔化极氩弧焊等），因为碳素钢的飞溅会在复层表面造成锈蚀。

（6）严防碳钢或低合金钢焊条焊接在复层上或过渡层焊条焊在复层面上。

（7）焊接过渡层时，为减小稀释率，在保证焊透的条件下，应尽可能采用小直径焊条，并采用小规范反极性进行直道焊，以降低基层对过渡层焊缝的稀释。

（8）复层焊接前，仔细清除坡口边缘复层坡口上的飞溅物。

（9）复层焊接时，为保证焊接质量，必须控制焊接热输入，应采取多层多道快速不摆动焊法，尽量采用小的焊接热输入和电流，并快速焊接。复层焊接时，不应预热和缓冷，有时甚至采取强制冷却措施，以尽量减少焊缝在400～850°C温度区问的停留时间，防止焊缝产生奥氏体品界局部贫铬，析出σ脆性相，产生475℃脆性，从而保证焊缝金属具有良好的力学性能和抗晶问腐蚀性能。

（10）不锈钢复合板焊接的关键是提高焊缝一次合格率，减少返修次数。因为不锈钢复合板焊接接头的组织和性能十分不均匀，焊缝返修时经常产生热裂纹。

（11）不锈钢设备接触介质的一面焊缝应尽可能最后焊接。

（12）严格控制不锈钢表面机械损伤和飞溅物。

8.预热和热处理

不锈钢复合板焊前预热和焊后热处理按JB/T4709--2007《钢制压力容器焊接规程》进行。

（1）焊前预热 当不锈钢复合板基层需要预热时，应以复合钢的总厚度作为确定预热温度的厚度参数。当基层需要进行预热时，施焊过渡层的焊缝也必须预热。

（2）焊后热处理不锈钢复合板应尽量避免焊后热处理。当需要进行焊后热处理时，应避免复层母材和焊接接头中铬碳化物析出和形成σ，相。如焊后热处理温度在不锈钢的敏化温度区间之内，就会降低不锈钢的耐腐蚀性能，使不锈钢产生晶间腐蚀裂纹。为解决这个问题，可以采用“低温长时”的热处理方式，即适当降低热处理温度，延长保温时间。

9.焊接质量检验

在基层焊接完毕之后、过渡层与复层焊接之前，对基层一般应进行射线探伤检查。发现超标缺陷，立即进行返修。返修完毕并经RT射线探伤检查合格后，再将复层侧的基层焊缝表面打磨平整，一般应进行PT探伤检查，经过PT探伤检查合格后，再焊接过渡层，过渡层焊后须对过渡层进行外观检验，应无表面缺陷，并经100%着色检查也未发现焊缝裂纹后再焊复层，复层焊接完毕后，除了VT检查合格外，还需进行PT100%探伤检查，Ⅰ级合格。

通过以上工艺措施的落实，有效的保证了不锈钢复合板的整体焊接质量，避免了复层焊缝表面裂纹的产生，取得了良好的效果。

参考文献：

[1]GB150-2011 JB/T4709—2007.

作者简介，张然（1976.07-），男，江苏省张家港市杨舍镇人，就职江苏省张家港市华益特种设备有限公司，大学学历，机械制造专业。职称：工程师，职务： 质保工程师兼质量部部长，研究方向：锅炉压力容器制造。