AL-6XN超级不锈钢与Q345R钢复合钢板工艺试验

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(四川惊雷科技股份有限公司，四川 宜宾 644623)

0 前言

AL-6XN超级不锈钢属含6%Mo的低碳、含氮超级奥氏体不锈钢，被广泛应用在化工容器、海水淡化、海洋油气平台、制药、食品以及热电厂、钢厂等烟气脱硫设备上[1]。普通奥氏体不锈钢与碳钢的爆炸复合工艺非常成熟，而AL-6XN超级不锈钢与普通奥氏体不锈钢相比，强度高很多，对AL-6XN超级不锈钢与碳钢采用爆炸复合的研究较少见报道。四川惊雷科技股份有限公司为上海某集团改造一台焦油塔设备，主体材料选用AL-6XN+Q345R复合钢板。由于两种材料的物理性质、化学成分以及力学性能存在着较大的差异。因此，需要选择合理的爆炸复合工艺和热处理工艺，消除或减少爆炸焊接应力的同时兼顾基材的力学性能并保证覆层的耐蚀性能。

针对AL-6XN+Q345R复合钢板爆炸复合后选择合适的热处理工艺消除爆炸焊接应力以及复合钢板的焊接工艺制定进行试验研究，总结出合适的工艺规范来满足设备制造的技术要求。

1 AL-6XN与Q345R钢的焊接性分析

AL-6XN与Q345R是两种单一材料通过爆炸焊接而形成的复合材料，它们之间为固相结合。焊接时应考虑两种材料的差异。AL-6XN为单相奥氏体组织，合金含量高，线膨胀系数较大，在焊接时热应力较大；液态金属的流动性也较差，焊接过程容易出现气孔、未熔合等缺陷。而焊缝金属中Ni与S，P，Si等元素易形成低熔点共晶物，若在晶界形成液膜，易引发焊缝中的结晶裂纹和热影响区的液化裂纹，因此对坡口表面的清理以及焊丝的洁净要求很高。此外，焊接热输入过大或焊接过热严重，也会引起裂纹等缺陷。而Q345R钢相对来说，焊接性较好，对焊接参数、工作环境等没有那么苛刻。如何把握这两种材料的焊接显得非常重要，特别是两种材料的界面处焊接即过渡层焊接。过渡层和覆层的焊接一般要求在较洁净的环境下进行，且应小规范施焊。

AL-6XN超级不锈钢的Mo含量在6%左右。焊缝在结晶时，由于Mo在奥氏体中的溶解度低而优先在液体中偏析，因此先结晶的固相便出现贫Mo现象而导致焊缝金属的耐蚀性能下降。为了补偿这种不良影响，AL-6XN超级不锈钢在进行熔化焊时应优先选用含Mo高的镍基焊接材料，通常采用9%Mo或Mo更高的焊接材料[2]。焊接AL-6XN时推荐选用ENiCrMo-3或ERNiCrMo-3焊接材料[3]。

2 焊接工艺及热处理试验

2.1 试验材料及测试方法

该爆炸焊接法生产的复合钢板为 3.4 mmAL-6XN和20 mmQ345R 。覆层AL-6XN和基材Q345R的化学成分和力学性能见表1～2。

表1 AL- 6XN与Q345R钢的化学成分(质量分数，%)

表2 AL- 6XN与Q345R钢的力学性能

按照GB/T 6396—1995《复合钢板力学及工艺性能试验方法》国家标准对AL-6XN+Q345R复合钢板的力学性能进行测试；按照NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》标准对焊接接头的力学性能进行测试。按照ASTM G48中的A法即6%FeCl3溶液和ASTM G28中的A法即50%H2SO4-Fe3(SO4)2溶液进行腐蚀试验。

2.2 消除爆炸焊接应力的热处理试验

爆炸焊是利用炸药爆炸时所产生的高能量，使覆板向基板高速运动而发生碰撞，从而将被焊金属结合在一起[4]。爆炸焊会产生较大内应力。复合钢板热处理目的就是为了消除或减少爆炸焊接应力。热处理工艺参数的选择时既要考虑基材的力学性能，又要考虑覆层的耐蚀性能。AL-6XN在510 ℃以下是稳定的，当长时间暴露在650～980 ℃时，σ相可能在晶界上析出；在980 ℃以上长时间加热时，二次相将缓慢析出[5]。图1是AL-6XN超级不锈钢在24 ℃时在10%FeCl3溶液(即ASTM G48 B法)、失重量为0.001 g的等腐蚀曲线[6]。从图1可以看出，AL-6XN钢在650～980 ℃长时间热处理下会影响其耐腐蚀性。

根据腐蚀曲线图，对AL-6XN+Q345R(3.4 mm+20 mm)复合钢板选择了有代表性的几个温度进行热处理试验，即中温热处理按照550 ℃/4 h空冷、600 ℃/4 h空冷、650 ℃/4 h空冷和高温热处理按照1 020 ℃/25 min风冷、1 070 ℃/15 min风冷。

图1 AL-6XN失重量0.001 g等腐蚀曲线图

2.3 复合钢板焊接工艺选择

试验中基材选用E5015焊条，覆层选用含9%Mo的ENiCrMo-3焊条或ERNiCrMo-3焊丝。按过渡层、覆层的焊接方法和焊接材料的不同进行了3组试验。复合钢板的焊接顺序是先焊基材，再焊过渡层，最后焊覆层。图2是焊接坡口及焊接顺序。3组试板的焊接方法、焊接材料及焊接规范参数见表3。

图2 复合板坡口及焊接顺序图

表3 焊接规范参数

3 试验结果与分析

3.1 热处理试验结果分析

爆炸复合后的钢板经中温、高温热处理后，其复合钢板内的残余应力的测定有很多方法[4]。在工程实践中，可通过复合钢板的力学性能从侧面定性反映其内在应力的大小，温度越高，消除爆炸焊接的内应力效果就越好。

表4是AL-6XN+Q345R复合板在不同热处理温度下的力学性能和腐蚀数据。

表4 不同热处理状态下复合板的力学性能和耐蚀性能

注：①拉伸试样带覆层；②腐蚀率单位 mm/y，即毫米/年。

不同热处理状态下复合钢板的抗剪强度在300～340 MPa之间，大于标准要求的210 MPa。AL-6XN+Q345R复合钢板经550 ℃和600 ℃中温消应力热处理后，力学性能变化不大，屈服强度505～510 MPa之间，抗拉强度620～630 MPa之间，断后伸长率22%～24%。虽然强度较高，断后伸长率偏低，但均在标准NB/T 47002—2009《压力容器用爆炸焊接复合板》允许范围内；而试板经650 ℃热处理后断后伸长率低于标准要求，且冷弯试验不合格，说明该温度不适合AL-6XN+Q345R复合钢板热处理；覆层硬度220～255 HB之间，硬度值偏高；所有试样的0 ℃冲击吸收能量在68 J以上。覆层的腐蚀数据不管是G48A还是G28A，随着温度的升高，其腐蚀率大幅度提高，特别是650 ℃的腐蚀率非常大。

复合钢板经1 000 ℃以上高温热处理后，屈服强度385～410 MPa之间，抗拉强度550～560 MPa之间，断后伸长率大于30%，弯曲试验合格，硬度189～192 HB左右，0 ℃冲击吸收能量平均100 J以上。高温热处理后，屈服强度和抗拉强度比较适中，断后伸长率远大于标准要求。1 070 ℃的腐蚀率比1 020 ℃有明显下降，说明在高温段热处理时，温度越高越有利于保证覆层的耐蚀性。

由复合板力学试验结果可知，高温热处理后材料的性能更优，说明消除爆炸应力更彻底，后续加工更有利。但由覆层腐蚀结果可知，中温热处理更有利于保证耐蚀性。生产中如何选择热处理规范，应根据具体要求决定。

3.2 焊接接头试验结果分析

3组试验中的试板均为焊态，分别进行力学性能及腐蚀试验。第1组的4件侧弯试样均在覆层焊缝熔合线处开裂，且为贯穿性，有一件已经延伸至基材焊缝上，腐蚀试验合格，但数据偏大；第2组的4件侧弯试样在覆层焊缝熔合线处发生开裂，腐蚀试验数据也偏大；第3组4件侧弯试样均合格，腐蚀数据较小。

3组试验中焊接接头的力学性能数据和腐蚀数据见表5。

表5 焊接接头力学性能及腐蚀试验结果

注：①拉伸试样带覆层;②腐蚀率单位 mm/y，即毫米/年。

通过对3组试验焊接接头性能综合对比分析，可以看到，对于AL-6XN+Q345R复合钢板过渡层、覆层若选用焊条电弧焊焊接，在力学性能检验中弯曲试验容易不合格，在熔合线处易出现开裂。试样表现出较大的腐蚀量可能与过渡层选用E309LMo有较大关系；而选用ERNiCrMo-3的钨极氩弧焊焊接过渡层及覆层，焊接接头力学性能均能通过后续检验，焊缝的耐蚀性也较好。因此，生产中应优选氩弧焊工艺。

焦油塔用AL-6XN+Q345R复合钢板从2008年至今一直运行良好，开罐检查未发现母材和焊缝腐蚀现象。

4 结论

(1) AL-6XN+Q345R复合钢板，爆炸复合性良好，复合板的结合率可以达到NB/T 47002.1标准中的B1级要求。

(2) 爆炸复合钢板消除应力热处理规范应根据产品的使用要求来选择。中温热处理可以更好保证材料的耐蚀性，但材料的屈服强度和抗拉强度偏高，断后伸长率会偏低；而高温热处理则更有利于消除爆炸应力。实际生产中宜选择中温热处理。虽然中温处理后抗拉强度和屈服强度偏高，断后伸长率降低，但仍符合标准的规定，可以满足容器制造过程中各工序加工的要求。

(3) AL-6XN+Q345R复合钢板的焊接工艺制定时应考虑，当过渡层和覆层采用焊条电弧焊时，对焊工操作技能和焊接过程控制要求很高，应严格控制焊接热输入和稀释率。生产中应尽量采用钨极氩弧焊。为保证焊缝金属的耐蚀性，过渡层和覆层推荐选用9%Mo的ERNiCrMo-3或Mo含量更高的焊接材料。