氯乙烯聚合釜復(fù)合鋼的焊接工藝研究

姜成軍，陶 凱，薛小龍，潘衛(wèi)國(guó)

（1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200062；2.上海森松壓力容器有限公司，上海 201323）

0 引言

上海某公司在制造氯乙烯聚合釜中廣泛應(yīng)用了基層為低合金鋼、覆層為不銹鋼的爆炸復(fù)合鋼板，公司以前采用的焊接工藝為埋弧自動(dòng)焊（SAW）加手工電弧焊（SMAW）：先在復(fù)合鋼板基層根部用SMAW 工藝進(jìn)行打底焊，然后在基材上用SAW 工藝焊接，基材焊好后進(jìn)行射線無(wú)損檢測(cè)。射線檢測(cè)合格后，在過(guò)渡層和覆層用SMAW 工藝焊接?，F(xiàn)應(yīng)用戶要求對(duì)產(chǎn)品制造過(guò)程中的焊接工藝進(jìn)行更改，采用新的焊接工藝為SAW 加埋弧帶極堆焊工藝，即用SAW 工藝焊接基材全部，基材焊好后進(jìn)行射線檢驗(yàn)。檢驗(yàn)合格后，用帶極堆焊工藝焊接過(guò)渡層和覆層[1]。根據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程規(guī)范》要求，焊接方法改變需試驗(yàn)新焊接工藝對(duì)標(biāo)準(zhǔn)要求的符合性，在此基礎(chǔ)上對(duì)新舊焊接工藝的性能進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。

1 焊接試驗(yàn)準(zhǔn)備

本次焊接試驗(yàn)用母材為SA516Gr70+SA240TP304 爆炸復(fù)合板（符合NB/T 47002—2009），其覆板材料是SA240TP304（歸類為Fe8-1-1），覆板厚度4 mm；基板材料是SA516Gr70（歸類為Fe8-1-2），基材厚度30 mm。試驗(yàn)采用SAW+SMAW 和SAW 加埋弧帶極堆焊兩種焊接工藝對(duì)同一爐批號(hào)的試驗(yàn)鋼板分別進(jìn)行焊接，然后對(duì)焊接試板的力學(xué)性能、金相組織和耐蝕性能進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比并驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)符合性。焊接試驗(yàn)所使用的復(fù)合鋼板見(jiàn)圖1。

圖1 焊接試驗(yàn)用復(fù)合板

1.1 焊接坡口型式

通常不銹鋼復(fù)合板焊接坡口型式主要根據(jù)復(fù)合板厚度、焊縫在容器中的位置、覆層焊縫的化學(xué)成分和耐腐蝕要求來(lái)確定[2]。不銹鋼復(fù)合板焊接前需要在焊接區(qū)的覆層與基層結(jié)合處加工掉1.5 mm 左右的基材，然后采用過(guò)渡層焊材填充。本次焊接試驗(yàn)所采用的試樣組對(duì)雙面坡口型式參照GB/T 13148—2008《不銹鋼復(fù)合鋼板焊接技術(shù)要求》的規(guī)定，坡口型式見(jiàn)圖2，圖中：h＝（30+4）mm，p=1～2 mm，α＝60°，β＝70°，b=6 mm，f=10 mm，n=8 mm。

圖2 焊接試樣坡口示意

1.2 評(píng)定試板的化學(xué)成分與力學(xué)性能

本次焊接試驗(yàn)采用的評(píng)定試板的化學(xué)成分見(jiàn)表1，試板的力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表1 SA516Gr70+SA240TP304 鋼板化學(xué)成分%

表2 鋼板力學(xué)性能

1.3 試板選用的焊材

通常復(fù)合板基層和覆層歸屬不同的材料類別，因此經(jīng)常采用不同類別的焊材分別焊接焊縫的基層和覆層?；鶎硬牧系暮附硬捎肧AW，本次選用的焊材是與基層材料同種類的低合金鋼焊接材料HJ421-H08MnA（焊絲歸類為FeMS-1-2，焊劑歸類為FeG-1）；基層與覆層交界處即過(guò)渡層的焊接采用Cr、Ni 含量高的焊接材料，覆層與覆層的焊接采用與覆層材料相應(yīng)的焊絲和焊帶，見(jiàn)表3。

表3 復(fù)合板焊接所用試驗(yàn)焊材化學(xué)成份和力學(xué)性能

1.4 焊接工藝參數(shù)

采用基層（SAW+SMAW）+過(guò)渡層（SMAW）+覆層（SMAW）焊接工藝，對(duì)照參數(shù)見(jiàn)表4，其中低合金鋼層間溫度≤300 ℃,不銹鋼層間溫度≤150 ℃。該型材料在過(guò)渡層和覆層的焊接應(yīng)嚴(yán)格按照焊接規(guī)范，采用小電流、快速焊、不擺動(dòng)的多層多道焊，并盡可能縮短接頭高溫停留時(shí)間，以降低材料晶粒粗大的可能，增強(qiáng)焊縫的力學(xué)性能和耐腐蝕性能[3]。

表4 SAW+SMAW 和SAW 加帶極堆焊工藝參數(shù)

2 性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

將圖1 焊接試樣平均切割成2 塊，加工檢查后采用表4 焊接工藝分別焊接。1#焊接試樣采用基層SAW 工藝，過(guò)渡層和覆層采用帶極堆焊工藝進(jìn)行焊接，2#焊接試樣采用基層SAW+SMAW 工藝，過(guò)渡層SMAW 工藝，然后覆層SMAW 工藝焊接。安排2 個(gè)技術(shù)熟練的焊接人員分別按表4 工藝進(jìn)行焊接，然后對(duì)這2 個(gè)焊接試樣進(jìn)行金相組織、力學(xué)性能和腐蝕性能等對(duì)比試驗(yàn)。

2.1 焊接接頭理化無(wú)損檢測(cè)性能

焊接結(jié)束后，對(duì)焊接接頭的性能進(jìn)行理化、無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5（注：2#試樣有一個(gè)側(cè)彎，試樣在覆層處有1 處1 mm的表面缺陷裂口）。2#試樣耐蝕堆焊層焊縫和1#試樣覆層焊縫化學(xué)成分對(duì)比見(jiàn)表6。

表5 焊接接頭性能試驗(yàn)

表6 覆層耐蝕焊縫化學(xué)成分

由表5 可知，2#試樣抗拉強(qiáng)度Rm比1#試樣有所降低，但都遠(yuǎn)大于基層材料SA516Gr70的強(qiáng)度下限值485 MPa，與其他試驗(yàn)性能一樣都符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的性能要求。從表6 化學(xué)成分分析結(jié)果可知2#試樣焊縫的化學(xué)成分與1#試樣化學(xué)成分基本相似。

2.2 金相檢驗(yàn)

通常焊接過(guò)程直接影響焊接接頭的宏觀組織和微觀組織、力學(xué)性能以及焊接缺陷，通過(guò)對(duì)焊接接頭的金相檢驗(yàn)?zāi)軌蚍治龀龊缚p各區(qū)的焊接缺陷和金相組織[4]。在1#與2#試樣金相組織（圖3）中，采用兩種焊接工藝得到的焊接接頭無(wú)未焊透、未熔合、裂縫、夾渣氣孔等缺陷，在試樣的微觀檢測(cè)中也未發(fā)現(xiàn)顯微裂紋等缺陷，焊接接頭的金相組織正常。

圖3 1#與2#焊接試樣宏觀形貌和金相組織

2.3 晶間腐蝕試驗(yàn)

容器應(yīng)用中復(fù)合板的覆層焊縫與腐蝕性的介質(zhì)相接觸，為評(píng)定覆層焊縫的耐蝕性,本晶間腐蝕試驗(yàn)將對(duì)焊接接頭的抗晶間腐蝕能力進(jìn)行檢查[5]。

將1#與2#復(fù)合鋼板焊接接頭試樣進(jìn)行加工，并取出1 組試驗(yàn)進(jìn)行650 ℃下2 h的敏化熱處理，然后將試驗(yàn)按照敏化和不敏化兩種狀態(tài)分別進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)在對(duì)覆層焊縫打磨拋光后，將1#與2#試樣浸入硫酸銅溶液進(jìn)行腐蝕，并在腐蝕后對(duì)試樣進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果（表7）表明不論敏化和不敏化，1#與2#試樣都能通過(guò)晶間腐蝕檢驗(yàn)。

表7 試樣晶間腐蝕試驗(yàn)

2.4 鐵素體含量檢測(cè)

按照設(shè)計(jì)文件要求，此次對(duì)1#與2#試樣覆層焊縫所含鐵素體進(jìn)行含量檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果（表8）顯示試樣鐵素體含量符合4.0%～10.0%的標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)文件要求。

表8 試樣鐵素體含量檢測(cè)試驗(yàn)

3 結(jié)論

為應(yīng)對(duì)氯乙烯聚合釜不銹鋼復(fù)合鋼板SA516Gr70+SA240TP304 焊接工藝的改變，使用基層SAW 加過(guò)渡層覆層埋弧帶極堆焊焊接工藝取代原采用的SAW 加SMAW 工藝，對(duì)這2 種工藝焊接接頭的化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相試驗(yàn)和耐腐蝕性能進(jìn)行系統(tǒng)對(duì)比試驗(yàn)并進(jìn)行分析。評(píng)定結(jié)果表明，采用SAW 加埋弧帶極堆焊工藝能獲得良好的焊接接頭性能，焊縫覆層的金相組織和耐腐蝕性能正常，這種新焊接工藝可以應(yīng)用在氯乙烯聚合釜不銹鋼復(fù)合鋼板實(shí)際制造過(guò)程中。評(píng)定試驗(yàn)的成功對(duì)指導(dǎo)該型復(fù)合板焊接工藝的制定和實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義。