超低碳不锈复合钢板的焊接

目录

目录……………………………………………………………………1 摘要……………………………………………………………………2 关键词…………………………………………………………………2 前言……………………………………………………………………2 一、复合板焊接性分析………………………………………………3 1、基层 ………………………………………………………………3 2、覆层 ………………………………………………………………3 3、过渡层 ……………………………………………………………3 3.1焊缝金相组织分析 ………………………………………………4 3.2焊接材料的选择 …………………………………………………4 二、焊接工艺评定……………………………………………………6 1、拟定焊接工艺指导书 ……………………………………………6 2、试件施焊 …………………………………………………………7 3、对试板进行焊后热处理 …………………………………………8 4、对试板进行评定 …………………………………………………9 三、产品施焊中注意事项……………………………………………10 结论……………………………………………………………………10 参考文献………………………………………………………………11

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乙二醇项目接触塔的制造

摘要：超低碳不锈钢复合板因其优越的耐腐蚀性能与力学强度的优化组合，以及合理的性价比，在压力容器行业的应用越来越广。本文主要对超低碳厚壁不锈钢复合板进行焊接性分析，根据金属可焊性组织与成分的分析，特别是对过渡层的焊接化学成分的控制做了比较具体研究，并强调了三了焊接阶段所需焊材与其母材相对应材质的施焊，及其焊后不锈钢复合板热处理的特殊性进行了工艺评定试验，验证了焊接工艺的可行性，最终确定了超低碳不锈钢复合板容器制造的焊接工艺和热处理工艺，成功的进行了焊接，均满足了其设计制造要求。

关键词：焊接性分析；焊接工艺评定；过渡层；焊后热处理。 前言：许多压力容器的工作介质对壳体金属有腐蚀作用。中、薄壁的压力容器，可以直接采用诸如奥氏体不锈钢等耐腐蚀材料来制造。但对于大型的厚壁压力容器，全部采用大厚度不锈钢作为壳体材料，不仅材料的价格昂贵，而且不锈钢的强度一般也不如低合金高强度钢的强度高。因此，当有耐腐蚀要求时，大厚度的压力容器壳体采用低合金高强度钢，其高强性能可以承受容器的工作压力，而容器内壁设置一层耐腐蚀的奥氏体不锈钢或其它耐腐蚀材料，防止工作介质对壳体的腐蚀。我厂承接了上海石化乙二醇装置技术改造项目中的接触塔的制造任务，接触塔属于二类压力容器，塔体直径DN4400，总高约58.48米，塔净质量267.5吨，主体材料为复合板16MnR+00Cr19Ni10，厚度δ=34+3mm，设计压力2.12Mpa，实验压

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力为2.67Mpa。 一、 焊接性分析

1、基层（16MnR）是压力容器常用的钢材，其焊接性良好，有成熟的工艺，能保证焊接质量，可以满足复合钢板对强度、刚度和韧性等力学性能的要求。在焊件刚度和板厚较大的构件上焊接时需焊前预热，以防淬硬与产生冷裂纹，板厚30~50mm时预热温度≥100°C。 2、覆层00Cr19Ni10是超低碳奥氏体不锈钢，满足复合钢板的对耐腐蚀性要求较高的设备。施焊时必须严格控制焊接热输入，若焊材选择不当，工艺不正确时易产生晶间腐蚀与焊接热裂纹等缺陷。碳是造成晶间腐蚀的主要元素，奥氏体钢中的含碳量小于0.02~0.03％时，则全部碳都熔解在奥氏体中，即使在450~850°C的敏化区也不会形成贫铬层，故不会产生晶间腐蚀。而00Cr19Ni10含碳量小于0.03％。 3、过渡层（基层与覆层）是典型的异种钢焊接，是奥氏体钢与珠光体钢的焊接。两种钢材的物理性能有很大的差异（不锈钢的热导率比低合金钢低而线膨胀系数比低合金钢大的多），因而在焊件过渡层时会引起较大的焊接应力和变形，再加上焊缝与母材交界处的组织不均匀，这些现象的叠加易导致焊接裂纹的产生。因而保证过渡层具有优良的塑性，韧性，减少焊接应力，控制与调节异种钢接头组织的不均匀是防止过渡层脆化产生裂纹的关键，对于基层要避免铬镍合金增高，铬镍含量增高，基层焊缝会形成脆硬组织容易产生裂纹，覆层避免增碳，因覆层增碳会大大降低其耐腐蚀性，过渡层的选材至关重要。

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3.1焊缝金相组织分析

母材铬、镍当量计算及化学成分，见表一 Cr当量%=(Cr+Mo+1.5 Si+0.5Nb) % Ni当量%=(Ni+30C+0.5Mn) %

表一﹕母材铬、镍当量值及化学成分(质量分数、%)

母材 化学成分 C Mn Si Cr Ni P S Mo 铬当量% 镍当量% 图一位置 16MnR 00Cr19Ni10 0.14 1.37 0.25 0.016 0.018 0.375 4.885 b 20.2 11.23 a 0.021 1.2 0.8 19 10 0.030 0.025 3.2焊接材料的选择、

基层及覆层符合单独焊接时的焊接材料。 过渡层选A002,A062,A407三种焊条进行比较。 该三种焊条铬、镍当量值及化学成分见表二。

表二：奥氏体不锈钢焊条的铬、镍当量值及化学成分(质量分数、%)

焊条牌号 化学成分 C Mn Si Cr Ni P S Mo 铬当量% 镍当量% 图一位置 A002 0.03 1.3 A062 0.03 1.2 0.8 19.5 10 0.030 0.025 0.8 20.7 11.55 25.8 14.5 c d e 24 13 0.030 0.025 0.6 A407 0.08 1.42 0.75 27.0 22 0.03 0.03 0.75 28.88 25.11

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图一;不锈钢组织图(舍夫勒组织图)

由不锈钢组织图可见：

16MnR(b点)，00Cr19Ni10 (a点) 熔入熔池当无焊条金属填充时各占一半为图中f点，可以认为这就是待焊母材。具有f点成分的母材再与成分为c，d，e 的焊条相熔合后，既构成的焊缝金属的具体组织应落在f—c，f—d，f—e 的连线上，并取决于熔合比的大小。 若焊条金属为c(即18—8)则必须控制很小的稀释率，才能保证不会产生淬硬组织，焊条电弧焊很难达到，所以不采用。

若焊条金属为e(即25—20)为单相奥氏体组织，易产生热裂纹，从抗裂角度考虑这种组织不理想。

若焊条金属为d(即25—13)则由f—d连线可知，当控制熔合比﹤

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40%时焊缝具有A+F(即γ+δ)双相组织。

结论：为减少基层金属对焊缝的稀释作用并补充焊接过程中合金元素的烧损，焊条中铬镍合金元素含量应高于覆层不锈钢的含量，选用奥氏体化能力强的填充材料A062，使交界处具有一定量的铁素体组织，以提高抗裂性，避免出现马氏体组织 二、 焊接工艺评定，按JB4708—2000标准 1﹑拟定焊接工艺指导书 节点图，见图1

图二；节点图

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焊接参数见表三

表三：焊接参数

焊缝层次 正1 正2 正3 正4 正5 反1 反2 反3 反4 反5 正6 埋弧焊 埋弧焊 埋弧焊 埋弧焊 埋弧焊 埋弧焊 埋弧焊 埋弧焊 埋弧焊 埋弧焊 焊条电弧焊 正7 焊条电弧焊 正8 焊条电弧焊 第 7 页 共 11 页

焊接方法 填充金属 焊接电流 电弧电压(V) 备注 牌号 直径(mm) 焊剂 极性 电流(A) H08MnA φ4 H08MnA φ4 H08MnA φ4 H08MnA φ4 H08MnA φ4 H08MnA φ4 H08MnA φ4 H08MnA φ4 H08MnA φ4 H08MnA φ4 A062 φ4 HJ431 HJ431 HJ431 HJ431 HJ431 HJ431 HJ431 HJ431 HJ431 HJ431 反 反 反 反 反 反 反 反 反 反 反 550 ~580 550 ~580 550 ~580 550 ~580 550 ~580 550 ~580 550 ~580 550 ~580 550 ~580 550 ~580 140 ~160 32~38 32~38 32~38 32~38 32~38 32~38 32~38 32~38 32~38 32~38 21~29 A002 φ4 反 140 ~160 21~29 A002 φ4 反 140 ~160 21~29 2、试件施焊

2.1基层施焊，16MnR的焊接有成熟的工艺，采用埋弧焊，焊丝, H08MnA，φ4mm;焊剂HJ431.一般不会产生裂纹，但是为了防止过大的焊接热输入对复层金属的影响，应控制焊接热输入。

在气温较低、焊件刚性和板厚较大的构件上防止淬硬与产生冷裂纹需预热，板厚30~50mm预热100°C，控制层间温度≤250°C,正面焊缝余高为0~1mm。

反面碳弧气刨，并用砂轮打磨出金属光泽。焊丝H08MnA, φ4mm;焊剂HJ431. 焊接热输入也不宜过大，控制层间温度≤250°C。

2.2过渡层的焊接，采用焊条电弧焊，焊条A062, φ4mm，应严格控制焊接热输入，使其小于20KJ∕cm，在保证焊透的情况下应尽可能采用小规范、小电流、短弧、直线运条多道焊，以利与减少熔深，并控制层间温度﹤60°C，过渡层厚度控制在2 ~3mm。

2.3覆层的焊接，采用焊条电弧焊，焊条A002、φ4mm，也应严格控制焊接热输入，采用多层多道焊完成，在保证熔合良好的情况下，焊接速度宜快不宜慢，确保层间温度﹤60°C。

3、对试板进行焊后热处理

焊后热处理是利用金属材料在高温下屈服极限的降低使应力高的地方产生塑性变形，从而达到消除残余应力的目的，同时改善焊接接头及热影响区的塑性和韧性，提高抗残余应力的目的，这种消除应力的方法在具有体心立方晶格结构的低合金钢制压力容器中被广泛应用，在压力容器设计中，选用不锈钢往往是为了防腐蚀和满足温度

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的要求。不锈钢复合板应尽量避免焊后热处理，当设备需要进行热处理时，应避免覆层母材和焊接接头中的铬碳化合物析出和形成σ相。此台设备的覆层和过渡层的焊接材料全部是超低碳的，为确保压力容器的综合使用不受影响，采用了比基层较低的热处理温度，仍按正常所需的保温时间进行保温，延长保温时间对覆层的耐腐蚀性将带来不利影响。因此热处理温度为530±20°C，保温2h30min。

4、对试板进行评定

4.1试件100％RT Ⅰ级(JB4730—2005) 4.2力学性能试验见：表四

表四:力学性能试验报告 拉伸试验 报告编号 试样号 -1 -2 抗拉强度(Mpa) 553 549 弯曲试验 报告编号 试样规格 试样类型 4侧弯 弯轴直径 4a 180° 试验结果 无裂／无裂／无裂／无裂 断裂特点和部位 母材 母材 冲击试验 报告编号 试样规格 埋弧焊 冲击部位 焊缝﹙16MnR﹚ 热影响区﹙16MnR﹚ 4.3金相检验报告如下

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缺口型式 试验温度 冲击功﹙J﹚ V V 常温 常温 86 86 82 101 117 106 4.3.1消除应力热处理后晶间腐蚀试验：按GB4334.5—2000试验受检面未发现晶间腐蚀。

4.3.2消除应力热处理后状态经650°C保温二小时空冷，敏化按GB4334.2—2000试验腐蚀率为：0.84g∕㎡ 0.67g∕㎡，熔合线均未发现刀状腐蚀。

均符合设计制造要求。

三、在指导产品施焊中应注意以下几点

1、注意覆层面的保护，在焊缝坡口两侧200mm处涂白垩粉防飞溅，免损伤时破坏其氧化膜遇腐蚀性介质形成腐蚀点。

2、组对工件时应以覆层为基准对齐错边不得超过1mm，焊前坡口清理油污。

3、严禁用碳钢焊条焊在覆层、过渡层上,过渡层焊条焊在覆层表面上。 4、不得随意变更焊接参数。

结论：制定00Cr19Ni10∕16MnR超低碳不锈钢复合板焊接工艺应主要考虑过渡层与覆层的焊接特点。为了保证焊缝部位的组织性能应采用多种焊丝、焊条 ，H08MnA、A002、A062，可以实现焊缝良好的冶金结合。施焊时必须严格控制热输入，即采用多层多道、一层多道(过渡层、覆层)，适中的电流较快的焊速，焊条不宜摆动(过渡层、覆层)，控制层间温度，这也是防止异种接头产生不良组织及裂纹的有效措施，只要严格的执行焊接工艺及热处理工艺，00Cr19Ni10∕16MnR复合板焊接接头避免产生不良组织和裂纹，使其焊接接头质量完全达到设备的设计制造要求是有保障的。

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参考文献

[1] 《现代焊接生产手册 》上海市焊接协会编 [2]JB4708—2000《钢制压力容器焊接工艺评定》

[3] GB4333.5—2000《不锈钢硫酸—硫酸铜腐蚀试验方法》 [4] 《焊工技师培训教材》机械工业技师考评培训教材编审委员会编

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/z0qd.html