14Cr1MoR+NS1102復(fù)合板焊接缺陷分析

王利軍 張舉莉 史京生

摘 要：14Cr1MoR與NS1102復(fù)合板在焊接時會產(chǎn)生缺陷。本文以該復(fù)合板為例，分析了焊接缺陷產(chǎn)生的原因，同時結(jié)合實際情況提出返修措施，解決了復(fù)合板焊接缺陷問題，提高了焊縫質(zhì)量及設(shè)備使用的安全性。

關(guān)鍵詞：復(fù)合板;焊接缺陷;返修措施

中圖分類號：TG457.11文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）23-0130-04

Abstract： 14Cr1MoR and NS1102 composite boards will produce defects during welding. This paper took the composite board as an example， analyzed the causes of welding defects， and proposed repair measures based on the actual situation， which solved the problem of welding defects of the composite board and improved the quality of the weld and the safety of the equipment.

Keywords： composite board;welding defect;repair measures

鎳-鋼復(fù)合板是由基層（碳鋼、低合金鋼等）和復(fù)層（鎳）爆炸焊接復(fù)合而成的雙金屬材料，復(fù)層鎳保證了材料的耐蝕性，基層則保證了材料的強度，而且價格經(jīng)濟實惠，因此，在化工設(shè)備制造中，鎳-鋼復(fù)合板應(yīng)用越來越多[1]。這種鋼材主要由復(fù)層鎳和基層低合金鋼兩種材料復(fù)合而成，因此在形成焊接接頭時，除了會出現(xiàn)焊接同種金屬時可能出現(xiàn)的焊接缺陷外，還會出現(xiàn)因這兩種金屬復(fù)合而出現(xiàn)的焊接缺陷，如裂紋、夾渣、未熔合等。同時，兩者又具有較強的熔合性，焊接時，如果基層的碳熔入復(fù)層太多，會降低復(fù)層的耐腐蝕性，反之則會降低材料的使用強度。因此，在焊接過程中，如何保證焊接時既不產(chǎn)生焊接缺陷，又確保復(fù)層的耐腐蝕性，成為鎳-鋼復(fù)合板焊接的關(guān)鍵技術(shù)問題[2]。本文以2020年西安航天華威化工生物工程有限公司為新疆新特能源項目制造的急冷塔設(shè)備為例，分析了鎳-鋼復(fù)合板焊接過程中焊接缺陷產(chǎn)生的原因并提出了解決措施。該設(shè)備主體材質(zhì)為14Cr1MoR +NS1102復(fù)合板，基層14Cr1MoR厚度為42 mm，復(fù)層NS1102厚度為5 mm。

1 焊接工藝

復(fù)合板的焊接實際是異種金屬焊接，分為基層與基層焊接，基層焊縫、基層與復(fù)層焊接，過渡層、復(fù)層與復(fù)層焊接以及復(fù)層焊縫[3]。

針對基層材料14Cr1MoR的焊接特點，經(jīng)前期制造工藝研究與焊接工藝評定試驗合格后，制定設(shè)備的加工方案為：首先，按圖1加工坡口，而且坡口進行硬度測試，硬度值需要不大于225 HB，坡口按《承壓設(shè)備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》（NB/T 47013.4—2015）進行100%磁粉檢測;其次，焊前進行預(yù)熱，采用鋁加熱帶加熱方式進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度不小于150 ℃，而且焊接過程中為保證焊接溫度，采用火焰加熱槍進行持續(xù)加熱，如圖2所示。

具體焊接工藝如下：先采用焊條電弧焊及埋弧焊焊接基層，焊條用哈焊所焊條R307G，埋弧焊絲焊劑為H08CrMoG、SJ110，距離復(fù)層2～3 mm時使用鎳焊材ENi6182焊接過渡層，當(dāng)過渡層距復(fù)層表面2～3 mm時停止焊接，按熱處理工藝進行立即消氫熱處理，消氫熱處理后直接焊接復(fù)層，焊后24 h進行無損檢測，焊縫按《承壓設(shè)備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》（NB/T 47013.4—2015）進行100%TOFD檢測（超聲波衍射時差法）。相對于射線探傷而言，該種檢測方法效率高、成本低，最重要的是能準(zhǔn)確確定缺陷在焊縫中的位置。具體焊接參數(shù)如表1所示。

采用TOFD檢測方法對焊縫進行檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在部分焊縫中存在裂紋、過渡層未熔合、過渡層過熔及基層熔入過渡層以及夾渣等缺陷，焊縫質(zhì)量較差。

2 焊接缺陷原因分析

2.1 未熔合

過渡層的焊接屬于異種金屬之間的焊接，為了減少過渡層金屬焊縫的稀釋率，焊接過程中選用較小線能量進行焊接，線能量計算公式如式（1）所示。

q=IU/v ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，q為線能量，J/cm;I為焊接電流，A;U為焊接電壓，V;v為焊接速度，cm/min。

通常，焊接過程中通過調(diào)整焊接電流、焊接速度控制焊接線能量。在實際操作中，有些焊工由于經(jīng)驗不足、焊接水平有限或是沒有按預(yù)先制定的焊接工藝參數(shù)執(zhí)行，焊接時使用的電流過小，焊速偏快，結(jié)果出現(xiàn)電弧在兩側(cè)坡口上停留時間過短的情況，加之運條角度不正確，坡口金屬的熔合狀態(tài)不好，填充金屬不能與母材金屬充分熔合，出現(xiàn)未熔合現(xiàn)象。TOFD檢測過渡層未熔合缺陷影像如圖3所示。

2.2 夾渣

通過對焊縫打磨返修缺陷的過程分析，人們可以判斷夾渣有兩種可能。一種是因為焊前焊縫表面的藥皮沒有清理干凈，尤其是一些死角的位置未清理到位，致使焊接過渡層時，藥皮直接熔入焊縫中。另一種是由于基層焊縫焊接工藝與過渡層焊縫焊接工藝有所差別，在焊接基層焊縫時由于焊接電流較大，坡口兩側(cè)產(chǎn)生了咬邊現(xiàn)象，如圖4所示。當(dāng)焊接過渡層時，采用小的焊接電流，并且過渡層焊縫金屬在熔融狀態(tài)的黏度較大，使得咬邊內(nèi)部的熔渣不易浮出。當(dāng)過渡層焊縫金屬凝固后，存在于咬邊空隙內(nèi)的熔渣就使得焊縫產(chǎn)生夾渣現(xiàn)象[4]。

2.3 基層中存在過多鎳合金的缺陷

相對于射線檢測而言，TOFD檢測手段對焊縫的缺陷更敏感，有可能射線探傷合格的焊縫再用TOFD檢測會出現(xiàn)焊縫不合格的現(xiàn)象。返修過程中，焊工沒能在焊道相對應(yīng)的位置上使用相應(yīng)的焊條。例如，用磨光機打磨后的缺口的最深點是在基層焊道內(nèi)，正常情況下，焊工應(yīng)先用基層焊條焊接，再焊過渡層，最后焊覆層。但如果焊工錯誤地將過渡層位置視為缺口的最深點，就會先用過渡層焊條焊接缺口底部，再用復(fù)層焊條焊補完整個焊道，結(jié)果造成過多的基板金屬熔入復(fù)層焊道中。如圖5所示，返修焊縫經(jīng)過TOFD檢測后仍然有缺陷，在后續(xù)的返修打磨中發(fā)現(xiàn)，過渡層鎳熔入基層太多，造成焊縫探傷不合格。實際缺陷如圖6所示。

2.4 裂紋

焊縫返修過程中，有的是初次探傷就發(fā)現(xiàn)存在焊接裂紋，而有的是在返修之后才出現(xiàn)裂紋。經(jīng)過分析，有可能存在以下原因：焊接過程中，焊工沒有嚴(yán)格按焊接工藝文件執(zhí)行，加上焊接手法等原因，致使基層焊縫焊道高度、寬度與工藝文件要求相差甚遠(yuǎn)，在焊過渡層時，由于兩種金屬的晶格常數(shù)、膨脹系數(shù)不一樣，且過渡層熔入較多的基層焊縫金屬，融合比變大，焊接時在熔合區(qū)易產(chǎn)生裂紋缺陷;在焊接過程中，復(fù)層上的基層焊縫飛濺物未清理干凈，當(dāng)焊接過渡層時，飛濺物直接熔入過渡層焊縫中，也會誘發(fā)裂紋產(chǎn)生;多次返修中，由于焊縫重復(fù)循環(huán)受熱，產(chǎn)生很大的焊接內(nèi)應(yīng)力，而焊縫膨脹系數(shù)又不一樣，致使一些微觀裂紋擴張為宏觀裂紋[5]。基層焊縫過高情況如圖7所示，基層熔入過渡層TOFD情況如圖8所示。

3 解決措施

3.1 排除焊接缺陷

根據(jù)檢測人員劃出的缺陷位置及深度，確定從復(fù)層側(cè)還是基層側(cè)進行缺陷清除。如果缺陷在基層，一般使用碳弧氣刨進行清除;如果缺陷在過渡層或是多次返修同一部位，應(yīng)用角向磨光機或鉆銷等機械方法清除，以減少坡口邊緣的滲碳傾向及焊縫重復(fù)受熱。正式修補前，必須將缺陷徹底排查干凈，可以通過以下幾種方法確定缺陷是否排除干凈：觀察金屬表面顏色及金屬分層現(xiàn)象，此種方法較適合于基層焊縫熔入過多的復(fù)層鎳，鎳材明顯亮于基材;根據(jù)檢測人員提供的缺陷位置參數(shù)，打磨過程中隨時測量打磨深度及寬度;針對有焊接裂紋的地方，打磨過程中可用滲透檢測法，確定裂紋是否排除干凈。

此外，一定要將返修位置打磨得具有一定長度、坡度及角度，切勿打磨成直角，這不利于焊接操作，容易產(chǎn)生二次缺陷。

3.2 焊接順序及正確選用焊接材料

返修過程中，一定是先焊基層，再焊過渡層，最后焊接復(fù)層，這樣避免復(fù)層金屬在焊接過程中重復(fù)受熱，導(dǎo)致晶粒粗大，降低復(fù)層金屬耐蝕性能。返修過程中基本都使用焊條電弧焊進行返修，由于粗心原因，返修基層焊縫時用復(fù)層焊條，或是焊接復(fù)層時用基層焊條，都將會產(chǎn)生不必要的缺陷。

焊過渡層時，為了減少基層的碳鋼部分金屬溶入復(fù)層中，以保證焊縫金屬的耐腐蝕性能不致降低，過渡層應(yīng)嚴(yán)格按照工藝規(guī)范使用小線能量進行焊接，減少基層熔合比，以保證復(fù)層的耐腐蝕性。在焊接復(fù)層前，先在焊縫中靠近基層處用鎳含量較高的焊絲焊接過渡層，以減少基層的碳熔入復(fù)層中。由于此次母材為14Cr1MoR+NS1102復(fù)合板，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)推薦及合格的焊接工藝評定，過渡層及復(fù)層使用的焊材均采用大西洋生產(chǎn)的ENi6182焊條。焊接過渡層及復(fù)層時，務(wù)必將其坡口處的焊接飛濺清除干凈，尤其是基層焊縫焊接時的飛濺物。

3.3 嚴(yán)格控制每道焊接深度及尺寸

熔深大小直接影響焊縫質(zhì)量，在焊接過渡層時，如果熔深太深，使得過渡層熔入較多基層，容易產(chǎn)生焊接裂紋。因此，在焊接過渡層時，選用較小的焊接線能量控制熔深，同樣，當(dāng)焊接復(fù)層金屬時，如果熔深較大，焊縫也會有裂紋傾向，同時降低復(fù)層的耐蝕性能。

一般情況下，過渡層與基板焊道之間的熔合深度最好控制在1.5～2.5 mm，焊接復(fù)層時，復(fù)層焊道與過渡層焊道之間的熔合深度在最好控制0.5～1.0 mm[6]。基板最后一道焊道不能過高，出現(xiàn)焊道過高時，應(yīng)用磨光機等工具將其打磨至合適的高度，盡可能將咬邊打磨掉或打磨圓滑過渡，不要出現(xiàn)死角區(qū)域，避免夾渣產(chǎn)生，然后焊復(fù)層焊道。

3.4 預(yù)熱及層間溫度控制

根據(jù)14Cr1MoR材料的焊接性能，焊前應(yīng)進行預(yù)熱，預(yù)熱溫暖為150 ℃左右，且焊接過程中使用火焰加熱槍持續(xù)在基層面進行加熱，其間基層焊接的層間溫度不能超多300 ℃，過渡層及復(fù)層焊接的層間溫度不超度150 ℃。按照相應(yīng)工藝及標(biāo)準(zhǔn)要求，過渡層焊完后立即進行消氫熱處理，然后焊接復(fù)層，最后進行整體消應(yīng)力熱處理。

4 結(jié)論

復(fù)合板的焊接其實就是異種金屬間的焊接，本文通過對14Cr1MoR+NS1102鎳-鋼復(fù)合板焊接缺陷產(chǎn)生原因進行分析，提出了解決措施。在實際焊接過程中，為了有效地防止缺陷產(chǎn)生，提高焊縫質(zhì)量，人們要選擇合理的焊接坡口，減少焊接工作量，降低焊縫受熱次數(shù)，降低缺陷產(chǎn)生率;根據(jù)焊層不同，正確選用焊接材料，并嚴(yán)格按照制定的焊接工藝進行焊接;焊接下一道焊縫前，要將焊道表面及坡口表面清理干凈;嚴(yán)格控制各焊道尺寸及深度，尤其是基層最后一層以及過渡層的熔深，控制好融合比，有效提高焊縫使用性能。

參考文獻：

[1]朱方鳴.化工機械制造技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2]戴永成.鎳-鋼復(fù)合板壓力容器焊接裂紋的分析及優(yōu)化工藝[J].化工設(shè)備與管道，2018（3）：5-8.

[3]阮鑫，肖志英，王成君，等.鎳-鋼復(fù)合板設(shè)備焊接裂紋及優(yōu)化工藝研究[J].現(xiàn)代制造工程，2007（8）：76-80.

[4]張立新，張彥芬.不銹鋼復(fù)合鋼板設(shè)備制造過程中幾個技術(shù)問題的探討[J].齊魯石油化工，2004（3）：216-219.

[5]陳卉妍.不銹鋼復(fù)合板焊接缺陷的返修[J].現(xiàn)代焊接，2008（2）：42-44.

[6]郭新超，田治禮，王文輝.不銹鋼復(fù)合板焊接缺陷原因分析及解決方法[J].儀器設(shè)備技術(shù)，2008（3）：153-154.