半自动熔化极气体保护焊在不锈钢复合板覆层堆焊中的应用

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(1.大庆油田工程建设有限公司，黑龙江 大庆 163453；2.大庆油田矿区服务事业部，黑龙江 大庆 163712)

某集气站油田伴生气回收系统工程中多台容器内的介质为天然气、污水、混合烃及CO2，腐蚀性较强。若容器材料选用碳钢，在长周期运行中介质会对容器产生强腐蚀，造成设备提前失效。若容器材料完全采用不锈钢，同等强度下设备厚度增加，材料成本会大幅提升。因此设计中这些容器的材料选用了不锈钢复合板，基层为具有良好焊接性能的低合金钢Q345R[1-3]，以保证设备运行所需的强度指标;覆层为具有良好耐酸抗腐蚀性能的S31603，可以有效降低设备的材料成本。此批次不锈钢复合板容器厚度(基层+覆层)为(10+3)～(30+3) mm。大庆油田工程建设有限公司以往填充复合层多采用焊条电弧焊方法，焊工操作方便，焊接作业容易实施。但填充复合层都是在容器内部施焊，采用焊条电弧焊焊接时会产生大量的烟尘，工作环境极其恶劣，劳动强度大，焊缝质量不易控制。且此批次所有不锈钢复合板容器的填充焊缝总长将近300 m，堆焊工作量较大。

笔者在分析材料焊接性和焊接难点的基础上，采用半自动熔化极气体保护焊(GMAW)方法进行此批次不锈钢复合板的覆层堆焊，制订了更加合理的焊接工艺，在保证不锈钢复合板焊缝质量的同时提高了焊接生产效率[4-9]。

1 不锈钢复合板焊接性分析

对Q345R的焊接已有成熟的焊接工艺，可根据设备的直径、厚度分别采用埋弧焊、焊条电弧焊及钨极氩弧焊，并根据其化学成分及力学性能选取相应的焊接材料[10-13]。

不锈钢复合板焊接的主要难点是由低合金钢向不锈钢过渡部分的焊接。焊接过渡层时，基层金属对填充材料有稀释作用，极易产生贫铬区，过渡稀释的焊缝金属极易形成脆硬的马氏体组织，易产生裂纹。因此过渡层焊接宜选用Cr、Ni元素质量分数相对较高的焊接材料，以抵消基层金属对填充材料的稀释作用，防止硬脆组织的产生[12-16]。此外，在不锈钢复合板焊接过程中还要保证待堆焊工件表面的清洁。

2 不锈钢复合板焊接坡口设计

2.1 坡口形式

不锈钢复合板的焊接顺序一般是先焊接基层低合金钢，再焊接复合层[10-16]。因此在焊接中要考虑两种材料的有效分离，以免焊金属材料与焊接材料不匹配，直接导致产生焊接缺陷。以往在大直径不锈钢复合板焊接结构设计中采用将覆层材料去除，并向基层侧增加1～2 mm余量的坡口结构形式，见图1。

图1 常用不锈钢复合板对接焊缝坡口结构

根据实际焊接中的经验，发现坡口尖角处是焊接缺陷，特别是未焊透缺陷的高发区，经常造成不必要的返修。为此将坡口形式进行了微量调整，即增大沟槽角度，减缓尖角程度，从而提高了焊接的熔合性，具体结构形式见图2。

图2 微调后不锈钢复合板对接焊缝坡口结构

对此次不锈钢复合板容器制造项目中一些直径小、厚度薄的设备，选用外侧钨极氩弧焊打底，单面焊双面成型方式，以减少覆层的填充量，具体坡口结构形式见图3。

图3 对接焊缝单面焊双面成型坡口结构

焊接之前要清除坡口面及其两侧20 mm范围内的锈迹、油污以及氧化皮等影响焊接质量的杂质，尤其是要采用丙酮清理覆层油污。为了防止焊接飞溅物损伤覆层表面，削弱复合层的耐蚀性，焊前在坡口两侧各150 mm范围内均匀涂刷不含Cl-的焊接防飞溅剂。

2.2 坡口加工

在实际制造过程中一般采用机械冷加工方法进行不锈钢复合板坡口的制备，即在平板下料时用刨边机或者带有成型刀具的铣边机对钢板进行坡口加工，加工之后检查坡口尺寸，各尺寸必须符合相关设计要求。

3 不锈钢复合板焊接工艺要点

3.1 焊接方法

综合考虑以往工程经验、公司现有设备资源以及焊接工艺评定储备情况，依据设备的直径、厚度，确定不锈钢复合板的基层焊接分别采用埋弧焊、焊条电弧焊及钨极氩弧焊，可机动采用熔化极气体保护焊。为提高工效和焊接成型质量，拟使用福尼斯TIME-5000焊机对覆层内侧待堆焊层进行半自动熔化极气体保护焊。

3.2 焊接材料选用

覆层填充需要进行2层堆焊，根据覆层材料化学成分及耐腐蚀性能特点，综合考虑所选用的焊接方法，过渡层焊接采用Ø1.2 mm的ER309MoL焊丝，面层焊接采用Ø1.2 mm的ER316L焊丝。焊接材料化学成分见表1。

表1 焊接材料化学成分(质量分数) %

在实际焊接过程中，氢在高温下渗透性很强，氢的存在会使钢组织变脆甚至形成微裂纹。同时，氢也是焊缝金属中产生气孔的主要因素，它可以从任何气源进入焊接熔池[4，12-13]。因此在不锈钢复合板焊接之前一定要将焊丝表面的油、锈、水分及其他杂物清除干净，焊条、焊剂要严格按烘干工艺烘干，随用随取。

3.3 焊接工艺评定试验

按照NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》[14]的要求，在焊接前进行了焊接工艺评定试验，以验证所制订工艺的正确性[12]。选取1块厚10 mm的Q345R钢板，规格为200 mm×200 mm×10 mm。将待堆焊面清理干净至露出金属光泽，磁粉检测合格之后，完全按照所制订的预焊接工艺规程进行半自动熔化极气体保护焊，保护气体为混合气体。对每一层堆焊面进行渗透检测，合格后按照NB/T 47014—2011要求取样加工试件，对堆焊试件进行侧弯试验、堆焊层金属化学成分测定并检查熔合线及热影响区的完好性，试验结果全部合格，满足文献[14-16]中的要求，验证了所制订焊接工艺的正确性。

堆焊层化学成分分析结果见表2。

表2 堆焊层化学成分分析结果 %

3.4 焊接工艺参数确定

该批次不锈钢复合板的焊接优先选用了如图3所示的单面焊双面成型的外坡口形式，以尽量缩小内侧覆层沟槽的宽度，达到减少覆层堆焊金属填充量的目的。

覆层焊接采用的是半自动熔化极气体保护焊。CO2气体属于氧化性气体，高温易分解，而焊接不锈钢材料时尤其要注意CO2的渗碳作用，因此采用的保护气为混合气体——80%(体积分数)Ar+20%(体积分数)CO2。这样既利用了惰性气体不参与化学反应的特点，避免合金元素的烧损，又通过氧化性气体的加入提高了电弧燃烧的稳定性，提升了焊接工艺性[12-16]。

不锈钢焊接时要注意控制焊接热输入，过高的焊接热输入会造成焊接接头组织脆硬，导致焊缝开裂，降低堆焊层耐蚀性能。为此综合使用了较小的焊接电流、较低的焊接电压以及多道焊接、快速焊接等多种减少焊接热输入的方法，并在面层焊接过程中通过采用背面风冷措施控制层间温度，使层间温度低于100 ℃。

不锈钢复合板焊接时采用的半自动熔化极气体保护焊焊接工艺参数见表3。

表3 半自动熔化极气体保护焊焊接工艺参数

4 焊后检验

按照制订的焊接工艺完成试件焊接，焊缝成型良好，外观检查合格，覆层经渗透检测合格。应用该焊接工艺进行该批次容器的实际焊接，与传统使用的焊条电弧焊相比生产效率提高2～3倍。按相应的图样及标准要求，基层焊接完成后对焊缝进行100%射线检测，Ⅱ级一次合格率为100%。对基层待堆焊表面进行磁粉检测合格后，按制订的焊接工艺焊接过渡层和面层，焊后进行100%渗透检测，Ⅰ级合格。最终对堆焊焊缝进行超声检测，并检查堆焊焊缝与基材的贴合度，合格率均为100%[16]。

5 结语

根据不锈钢复合板容器的实际情况，选择了合理的坡口形式和高效的半自动熔化极气体保护焊焊接方法，并通过选用化学成分相匹配的焊接材料、确定适宜的焊接工艺参数和采取合理的焊接层间温度控制措施，最终保证了不锈钢复合板覆层堆焊的焊接质量及耐蚀性能，同时大幅提高了焊接生产效率。