唐再文羊衣木賴斌

（1.四川大學化工學院2.四川科新機電股份有限公司）

14Cr1MoR+022Cr17Ni12Mo2復合材料的焊接結構及焊接工藝

唐再文*1，2羊衣木1，2賴斌2

（1.四川大學化工學院2.四川科新機電股份有限公司）

煤化工激冷罐的殼體材料采用14Cr1MoR+022Cr17Ni12Mo2復合板,板材較厚，焊接難度較大。通過分析研究和焊接工藝試驗，確定了適合的焊接方法、焊接材料、焊接坡口、焊接順序以及熱處理工藝，有效地避免了焊接過程中基層對復層的稀釋作用和碳遷移，顯著地提高了整個設備焊縫的焊接質量，取得了良好的效果。

復合板 焊接坡口 焊接順序 熱處理工藝 熔敷金屬 激冷罐

0 引言

某煤化工激冷罐殼體的材料為14Cr1MoR+ 022Cr17Ni12Mo2復合板，復層奧氏體不銹鋼022Cr17Ni12Mo2與基層低合金鋼14Cr1MoR是通過爆炸焊接法復合而成的。該類復合板的焊接性能取決于基層與復層金屬的種類（機械性能、化學成分等）、焊接坡口型式及焊縫填充的金屬材料等?；鶎雍蛷蛯拥暮附硬牧显诔煞旨靶阅芊矫娲嬖谳^大的差異，基層對復層的稀釋作用強烈，使焊縫中奧氏體形成元素減少，碳含量增加，增大了結晶裂紋的傾向；焊接熔合區(qū)可能出現(xiàn)馬氏體組織而導致硬度和脆性增加。此外，由于基層與復層的含鉻量差別較大，促使碳向復層遷移擴散，而在其交界的焊縫金屬區(qū)域形成增碳層和脫碳層，加劇熔合區(qū)的脆化或另一側熱影響區(qū)的軟化[1]。因此，選用合適的焊縫金屬填充材料、嚴格控制焊接熱輸入、使基層一側熔深較淺，都有助于減少焊縫金屬的稀釋和基層合金化。該激冷罐外殼結構見圖1，設計參數(shù)如表1所示。

圖1 激冷罐結構

表1 激冷罐的技術特性

1 焊接方法、材料和坡口的選擇

焊接的關鍵是合理地選擇基層、復層焊縫的金屬填充材料和焊接順序。焊接材料應充分考慮母材的化學成分、力學性能和焊接接頭的抗裂性、碳含量以及設備的使用條件等。為更有效地防止稀釋和碳遷移等問題，在基層與復層之間加焊隔離層，隔離層用焊接材料也是非常重要的。

1.1 焊接方法和焊接材料的選擇[2]

（1）基層采用焊條電弧焊或埋弧自動焊，焊條電弧焊選用R307（E5515-B2）焊條，埋弧自動焊選用T Union SA Cr1Mo SC焊絲和UV 420 TTR焊劑[3]。

（2）隔離層采用焊條電弧焊，焊材選用A042（E309L-16）焊條。

（3）復層采用焊條電弧焊，焊材選用A022（E316L-16）焊條。

1.2 焊接坡口的選擇

為減少焊縫的填充金屬、防止焊接變形以及奧氏體鋼混入基層焊縫金屬，設備的縱縫及拼縫坡口均采用雙面U形坡口，錐體、筒體以及各個殼體部件間組對的環(huán)縫均采用U-V形組合坡口。為了防止基層焊接引起復層脫層，復層坡口根部比基層坡口端部后退5 mm。

（1）筒體縱縫及拼縫坡口如圖2所示。

（2）錐體縱縫及拼縫坡口如圖3所示。

圖2 筒體縱縫及拼縫坡口

圖3 錐體縱縫及拼縫坡口

（3）設備各部件環(huán)縫坡口如圖4所示。

2 焊接工藝評定試驗[4]

2.1 焊接試板的材料要求

試板規(guī)格：800 mm×150 mm×（100+6）mm一副?；鶎硬牧?4Cr1MoR的化學成分及在使用狀態(tài)下的力學性能除符合GB 713—2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》的要求外，還必須滿足下式要求：

2.2 焊接工藝[5]

為提高復合鋼板焊接接頭的力學性能和耐腐蝕性能，應先焊基層焊縫，再焊隔離層焊縫，最后焊復層的焊縫。焊接順序為①→②→③→④→⑤，各施焊部位如圖5所示。施焊基層①部位SAW時，距離復層4～6 mm處預留不焊；施焊④部位時，應超過復層1 mm；基層焊后立即進行消氫處理，溫度為300～350℃，保溫時間為3 h以上。

（1）焊接試板焊接坡口如圖5所示。

圖4 設備各部件環(huán)縫坡口

圖5 焊接試板焊接坡口

（2）試板焊接參數(shù)如表2所示。

（3）層間溫度?；鶎釉诤附訒r先預熱，預熱溫度≥200℃。圖5中部位①、②、③的層間溫度≤280℃,圖5中部位④、⑤的層間溫度≤230℃。

2.3 焊后模擬熱處理工藝[6-7]

加熱設備類型：臺燃爐或電加熱爐；熱處理類別：去應力熱處理；熱處理方式：爐內。熱處理規(guī)范：入爐溫度≤300℃，出爐溫度≤200℃，升溫速度≤50℃/h，保溫溫度675±10℃，保溫時間270 min，降溫速度≤60℃/h，冷卻介質為空氣。

3 焊接過程中的要求

3.1 焊接過程注意事項

（1）基層焊接過程中要控制好“三熱”：預熱、后熱、焊后熱處理?；鶎雍附忧熬鶓A熱至要求的溫度并在整個焊接過程中保持，焊接完成后應按規(guī)定進行后熱直至焊接接頭消氫處理完成。在整個焊接和后熱過程中，在焊接接頭及其鄰近區(qū)域應通過可靠的設施進行保溫。

（2）對于雙面焊焊接接頭，在進行反面焊接前應進行徹底清根。對于Cr-Mo鋼焊接接頭的清根采用碳弧氣刨或用鋼鑿、扁鏟等方法清根，然后用砂輪打磨并進行磁粉檢測。對于不銹鋼焊接接頭的清根可直接采用砂輪進行，用于加工奧氏體不銹鋼的砂輪和磨料應為純氧化物材料、無鐵的硅砂或用橡膠、尼龍摻合的氧化鋁砂輪。

表2 試板焊接參數(shù)

（3）在距離焊縫兩側150 mm范圍內應全部涂防飛濺劑，并清除坡口及兩側所有影響焊接質量的雜物。

3.2 復合鋼板的焊接要求[8]

3.2.1 基層的焊接控制要點

（1）為了減少焊接接頭擴散氫的來源，焊前應將坡口表面及兩側100 mm范圍內的油、銹、水分及其他污物清除干凈。

（2）定位焊只能在基層坡口內進行，復層金屬上不得點焊任何臨時性工裝卡具。定位焊和正式焊接之間時間間隔不能過長。定位焊前必須預熱，預熱溫度取上限。定位焊焊道長度大于50 mm，使焊道有足夠的強度。引弧和熄弧都應在坡口內，如發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，必須清除再焊。

（3）焊前焊縫兩側母材3倍厚度范圍內預熱至200℃以上。在施焊過程中，層間溫度控制在200～280℃之間。為保持工件的預熱溫度，應在施焊工件的背面用火焰控制其預熱溫度，采用紅外線測溫儀或接觸式測溫儀對預熱溫度進行檢測。

（4）焊接采用多層多道焊，道間線能量不得超過30 kJ/cm，層間溫度不得低于預熱溫度。

（5）采用碳弧氣刨和砂輪打磨的方法進行清根，為避免產生裂紋，碳弧氣刨前應在殼體外部焊縫處進行加熱，使殼體內部達到預熱溫度。碳弧氣刨應將定位焊的熔敷金屬清除，清根打磨后的坡口形狀、寬窄應一致。砂輪打磨時必須清除所有的滲碳層。對坡口表面必須進行磁粉檢測，應無裂紋、氣孔等缺陷。

（6）基層焊后立即進行消氫處理，將焊縫及兩側3倍厚度范圍內的母材加熱至300～350℃，并保持此溫度3 h以上，然后保溫緩冷。加熱溫度必須內外壁都達到要求；焊縫內外側均用保溫棉進行保溫，保溫寬度不低于2倍的加熱寬度。

3.2.2 隔離層的焊接要求

隔離層焊接時應先對待焊面進行滲透檢測，焊前應清理影響焊接質量的油、銹等雜質。按工藝進行預熱，焊接時采用短弧、小電流、反極性、快速窄焊道和多焊道的焊接工藝，嚴格控制道間溫度。

3.2.3 復層的焊接要求

復層焊接時采用短弧、小電流、反極性、快速窄焊道和多層多焊道的焊接工藝，嚴格控制道間溫度。

3.3 無損檢測

基層焊接完畢，至少過24 h后再進行無損檢測[9]。

4 焊接工藝試驗結果[10]

焊接試板的取樣數(shù)量、取樣方法及試驗方法均應滿足NB/T 47016《承壓設備產品焊接試件的力學性能檢驗》的要求，具體如下所述。

（1）對基層熔敷金屬化學成分進行分析，如表3所示。

表3 基層熔敷金屬化學成分

（2）對復層熔敷金屬化學成分進行分析，如表4所示。

表4 復層熔敷金屬化學成分

（3）對基層熔敷金屬力學性能進行分析，其實測值如表5所示。

5 結語

通過確定適合的焊接方法、焊接材料、焊接坡口型式、焊接順序以及熱處理工藝，加之焊接措施的保證，有效地避免了焊接過程基層對復層的稀釋作用和碳遷移，并顯著地提高了整個設備焊縫的焊接質量。經過此次焊接工藝試驗和焊接參數(shù)分析，可得出如下結論：

表5 基層熔敷金屬的力學性能實測值

（1）所選焊材能有效地控制焊接時基層對復層的稀釋作用，防止焊縫中奧氏體形成元素減少以及碳含量增加，從而減小了結晶裂紋的傾向；降低了焊接熔合區(qū)出現(xiàn)馬氏體組織從而導致硬度和脆性增加的可能性。

（2）基層與復層間加焊的隔離層，有效地防止了碳向復層遷移擴散，減少了在其交界的焊縫金屬區(qū)域形成增碳層和脫碳層，降低了熔合區(qū)的脆化或另一側熱影響區(qū)的軟化。

（3）基層的焊接過程中主要應控制好“三熱”，即預熱、后熱、焊后熱處理；基層采用多層多道焊，焊接過程中的層間溫度不得低于預熱溫度200℃。

（4）隔離層與復層焊接時應先進行預熱，焊接時采用短弧、小電流、反極性、快速窄焊道和多焊道的焊接工藝，嚴格控制道間溫度。

[1]賈碩,魏潔.不銹鋼復合板壓力容器焊接技術的探討[J].石油化工設計,2011,28（4）：17-19.

[2]焊接學會.焊接手冊（第2卷）[M].北京：機械工業(yè)出版社,2008.

[3]ASME SFA-5.23/SFA-5.23M—2010埋弧焊用低合金鋼焊絲和焊劑標準[S].

[4]NB/T 47014—2011承壓設備焊接工藝評定[S].

[5]NB/T 47015—2011壓力容器焊接規(guī)程[S].

[6]中國機械工程學會熱處理學會.熱處理手冊（第1卷）：工藝基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[7]楊海林，楊秀芹.熱處理工藝對14Cr1MoR鋼的組織和性能的影響[J].金屬熱處理，2003，28（11）：35-37.

[8]姜麗，郭曉春，李娟娟，等.14Cr1MoR+347H不銹鋼復合板焊接[J].石油化工設備,2009,38（3）：70-72.

[9]GB 150.1～GB 150.4—2011壓力容器[S].

[10]NB/T 47016-2011承壓設備產品焊接試件的力學性能檢驗[S].

我國首套10萬等級空壓機組試車成功

2014年12月22日，我國首臺（套）全國產化10萬Nm3/h等級特大型空分主風機在陜鼓動力公司進行了工廠性能測試。經過測試，陜鼓動力研制的10萬Nm3/h等級空分主風機氣動性能達到設計和標準要求。這標志著陜鼓動力打破了國外公司壟斷，具備了全國產化研發(fā)、制造特大型空分壓縮機的能力，填補了國內空白。

山東潤銀生物科技股份有限公司、久泰能源內蒙古有限公司分別與陜鼓動力簽訂了10萬Nm3/h和8.2萬Nm3/h等級空分壓縮機組合作框架意向書?？辗謮嚎s機組是煤炭深加工、石油化工、化肥及冶金等行業(yè)廣泛應用的核心關鍵設備。陜鼓動力以重大裝備國產化為己任，已先后完成了6萬、8萬、10萬、12萬、15萬Nm3/h等級大型空分壓縮機組的自主研發(fā)工作。為使用戶使用安全、可靠、技術成熟的產品，陜鼓動力又投入研發(fā)費用對國產10萬Nm3/h等級空分壓縮機進行樣機研制。

作為全新開發(fā)的機組，陜鼓動力技術研發(fā)團隊在已掌握成熟可靠大型軸流壓縮機技術、大型離心壓縮機技術和機組優(yōu)化匹配技術的基礎上，采用軸流加離心復合式空壓機技術進行了10萬Nm3/h等級空分主風機技術再創(chuàng)新。

10萬等級空分壓縮機采用軸流加離心復合式壓縮機技術，有三個關鍵技術點：一是先進可靠的軸流壓縮機技術；二是軸流壓縮機與離心壓縮機氣動性能匹配技術；三是轉子動力學計算所支持的結構設計技術。陜鼓動力已擁有1600余臺（套）軸流壓縮機設計、運行經驗，最大流量72萬Nm3/h。在大型空分離心壓縮機方面，陜鼓動力目前在2萬～6萬Nm3/h等級也有170余臺（套）的市場業(yè)績。此外，陜鼓動力有100多套軸流壓縮機與離心壓縮機匹配成功的業(yè)績。（章文）

Research on Welding Structure and Welding Technology of 14Cr1MoR+022Cr17Ni12Mo2 Composite Material

Tang Zaiwen Yang Yimu Lai Bin

The shell of coal chemical quench tank is made from 14Cr1MoR+022Cr17Ni12Mo2 clad plate which thickness is relatively thick,therefore,it is hard to weld.Through the analysis research and welding procedure test,ultimately determines the appropriate welding method,welding material,welding groove,welding sequence and the heat treatment technology,which effectively avoids the dilution of base layer on multilayer and the carbon migration from base layer to multilayer,and significantly improves the quality of the welding seams in the equipment.

Clad plate;Welding groove;Welding sequence;Heat treatment technology;Deposited metal; Quench tank

TG 441

2014-10-08)

*唐再文，男，1981年生，工程師。成都市，610041。