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        大厚度復(fù)合鋼板過渡層焊接工藝與組織性能研究(上)

        2013-08-02 08:40:12河北省安裝工程公司石家莊050011賀廣利于春芬付書賓
        金屬加工(熱加工) 2013年10期
        關(guān)鍵詞:復(fù)層電弧焊焊條

        河北省安裝工程公司 (石家莊 050011) 賀廣利 于春芬 付書賓

        河北工業(yè)大學 (天津 300132) 鄭振太

        1.概述

        近年來隨著國內(nèi)化工和冶金項目的增多,雙金屬復(fù)合鋼板以其投資成本低而得到廣泛應(yīng)用,但復(fù)合鋼板的焊接質(zhì)量一直是困擾制作單位的一個難題,尤其是大厚度復(fù)合鋼板由于焊接層數(shù)多、焊接應(yīng)力大、易出缺陷、焊縫返修困難等原因,直接影響到制作成本和制作工期。

        我公司通過對復(fù)合容器制作中出現(xiàn)的焊接質(zhì)量問題的分析和試驗發(fā)現(xiàn),復(fù)合鋼板焊接缺陷出現(xiàn)的部位大多集中在過渡層,而不同的焊接工藝對過渡層金屬組織的影響非常大,進而影響到產(chǎn)品質(zhì)量,因此我們決定對大厚度雙金屬復(fù)合鋼焊接進行研究,從根本上找出復(fù)合鋼板過渡層組織性能與焊接工藝的關(guān)系,以便在制作過程中對產(chǎn)生缺陷的主要原因加以控制。

        2.焊接性分析

        為保證復(fù)合鋼板不因焊接而失去原有優(yōu)良的綜合性能,通常都是分別對基層和復(fù)層焊接,即把復(fù)合板接頭的焊接分為:基層焊接、復(fù)層焊接和基層與復(fù)層交界處過渡層的焊接三個部分?;鶎観345R是壓力容器常用鋼材,一般用以滿足復(fù)合鋼板對強度、剛度和韌性等力學性能的要求,其焊接性良好,焊接時一般不需采取特殊工藝措施。但當厚度≥30mm或剛性較大的焊件在焊接時需進行預(yù)熱;復(fù)層06Crl9Ni10屬奧氏體不銹鋼,一般用以滿足復(fù)合鋼板對耐蝕性的要求,與其他類型的不銹鋼相比,較易焊接,在任何溫度下都不發(fā)生相變,對氫脆不敏感,主要問題是焊接熱裂紋、碳化物析出敏化等,焊接時要控制好熱輸入和道間溫度。由于基層、復(fù)層及焊縫金屬的線膨脹系數(shù)相差較大,易于因溫度應(yīng)力而引起裂紋;另外,基層和復(fù)層的含碳量和合金成分方面,也存在著較大差異,焊接時容易產(chǎn)生合金元素的稀釋,碳遷移等一系列問題,因此在焊接時,既要滿足基層焊接結(jié)構(gòu)強度,又要使較薄的復(fù)層滿足耐腐蝕性能要求;對于基層要避免Cr、Ni等合金元素含量增高,因Cr、Ni含量增高,基層焊縫中會形成硬脆組織,故容易產(chǎn)生裂紋,影響焊縫強度;對于復(fù)層要避免增碳,因復(fù)層增碳會大大降低其耐腐蝕性。過渡區(qū)的焊接性主要決定于基層Q345R和復(fù)層06Cr19Ni10的物理化學性能、接頭形式和填充金屬等。表1是基層和復(fù)層母材化學成分。

        表1 母材的化學成分(質(zhì)量分數(shù)) (%)

        Q345R的室溫組織為珠光體加鐵素體,常溫焊接條件下一般不會出現(xiàn)脆硬組織,但在低溫下或在大剛度、大厚度結(jié)構(gòu)上用小規(guī)范短焊縫焊接時會出現(xiàn)馬氏體組織;06Cr19Ni10不銹鋼的金相組織為奧氏體,用A102焊條焊接組織為奧氏體加少量鐵素體,Q345R和06Cr19Ni10異種鋼焊接時,焊縫組織與選用的焊材和焊接時的熔合比有極大關(guān)系,選用Cr-Ni含量為25-13型的焊材,在控制好熔合比的情況下會得到正常的奧氏體加鐵素體組織,但如果控制不好熔合比,Cr、Ni被過度稀釋后,焊縫會出現(xiàn)脆硬馬氏體組織。

        3.焊接方案的確定

        (1)焊接順序 不銹鋼復(fù)合鋼板焊接時一般采用先焊基層焊縫,然后焊過渡層焊縫,最后焊復(fù)層焊縫。

        (2)焊接方法 基層厚度比較大,選擇埋弧焊;復(fù)層厚度比較薄,采用焊條電弧焊或氣體保護焊。過渡層厚度一般為2~4mm,包括復(fù)層0.5~1.5mm,基層1.5~2.5mm,采用焊條電弧焊、半自動熔化極混合氣體保護焊、手工鎢極氬弧焊均可,對容器制作采用手工鎢極氬弧焊效率太低,實際操作中不適用。如果采用埋弧焊,會因埋弧焊熔深大,過多的熔化基層焊縫而形成鉻、鎳成分很高的合金鋼焊縫,引起開裂。因此過渡層決定采用焊條電弧焊或半自動熔化極混合氣體保護焊。

        (3)焊接材料 基層Q345R采用H10Mn2埋弧焊焊絲和HJ431焊劑;復(fù)層06Cr19Ni10采用焊條電弧焊,A102焊條,半自動熔化極混合氣體保護焊采用97.5%的氬氣和2.5%的 CO2氣體,H06Cr21Ni10Si焊絲;過渡層考慮到基層焊縫和基層母材金屬的稀釋作用,選用25-13型焊接材料。焊條電弧焊采用A302焊條,半自動熔化極混合氣體保護焊采用97.5%的氬氣和2.5%的 CO2氣體,H022Cr24Ni13Si焊絲。

        (4)坡口形式 板厚比較大,適宜選擇不對稱X形坡口。鈍邊、間隙根據(jù)具體焊接方法確定。

        (5)焊接參數(shù) 在焊接順序、焊接方法、焊接材料和坡口形式都確定的情況下,過渡層形成與焊接參數(shù)有很大關(guān)系。本文敘述的重點,就是尋找過渡層焊接時焊縫不出現(xiàn)馬氏體組織,過渡層化學成分能保證復(fù)層焊縫接近復(fù)層母材化學成分的焊接參數(shù)。即通過焊接參數(shù)控制過渡層焊接時的熔合比,從而控制過渡層的焊縫組織和化學成分。首先對于焊條電弧焊最重要的焊接參數(shù)是焊條直徑和焊接電流,其次是電弧電壓和焊接速度。在保持電弧電壓和焊接速度不發(fā)生大的變化情況下,分別采用了φ3.2mm和φ4mm焊條焊接,旨在對比在保證焊接質(zhì)量的前提下,尋找高效率焊接。對于半自動熔化極混合氣體保護焊,最重要的是焊接電流、電弧電壓和焊接速度,在保證焊接電流和電弧電壓最佳狀態(tài)下,大幅度提高焊接速度,從而提高焊接效率。

        4.工藝試驗

        (1)母材準備 母材為Q345R+06Cr19Ni10,規(guī)格為500mm×250mm×(28+4)mm;基層焊絲為H10Mn2、φ4mm,焊劑為 HJ431;基層焊條為J506、φ4mm。過渡層焊絲為H022Cr24Ni13Si、φ1.2mm,過渡層焊條為A302、φ3.2mm、φ4mm;復(fù)層焊絲為H06Cr21Ni10Si、φ1.2mm,復(fù)層焊條為A102、φ4mm。

        (2)焊接工藝擬定 第一,采用不對稱X形坡口,基層鈍邊大小和基層坡口深度如圖1所示。

        圖1 坡口形式

        第二,復(fù)合鋼板下料用等離子弧切割,切割時復(fù)層朝上,從復(fù)層側(cè)開始切割,并留出二次加工余量,避免將切割的熔渣濺落在復(fù)層表面上。

        坡口采用機械方法加工,并用焊縫檢測尺檢測坡口的角度、鈍邊是否符合焊接工藝要求,如圖2所示。

        圖2 坡口檢驗示意

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