谷紅杰

摘要：經(jīng)過對復合鋼板壓力容器部件的現(xiàn)場焊接試驗，研究了鎳-鋼復合板壓力容器在焊接過程中的性能變化和失效形式。為了避免在壓力容器制造過程中發(fā)生焊接裂紋，依據(jù)裂紋產(chǎn)生的特性，提出了優(yōu)化焊接質(zhì)量的工藝控制方式，使焊接接頭不僅可以滿足強度需要，還能防止因為鎳-鋼復合板因膨脹指數(shù)偏差大而造成的熱裂紋，這樣解決了鎳-鋼復合板里的焊接問題。

關鍵詞：鎳-鋼復合板壓力容器;焊接裂紋;優(yōu)化工藝

隨著化工領域的迅速發(fā)展，國家對化工工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量的要求也愈來愈高。工業(yè)純鎳N6在許多腐蝕環(huán)境里呈現(xiàn)出比較良好的耐腐蝕性能，特別是對耐燒堿的腐蝕。所以，N6變成了各類苛刻腐蝕環(huán)境里愈來愈普遍運用的金屬材質(zhì)。鎳-鋼復合板是一類新型復合材料，盡管國家已經(jīng)頒布了有關用于壓力容器爆炸鋼板的標準，但是欠缺相對應的焊接工藝使用準則，讓焊接工作人員在實行焊接過程中的焊接技術只能憑借經(jīng)驗實施焊接。在實施焊接過程中，因為鎳與鋼存在較大差異的焊接性能，其熱膨脹性能差異相對比較大，所以焊接的時候很容易造成焊接裂紋的產(chǎn)生，同時多次返修對設備強度和剛度影響很大。怎樣確保覆板和鋼板在焊接時不造成焊接裂紋，并且保證覆層的耐腐蝕性能就成了制造鎳-鋼復合板焊接工藝里的重要問題。

1問題描述

某個公司接受委托生產(chǎn)制造了一批水解反應釜，其內(nèi)容材質(zhì)設計是24+7mm基層厚度為Q345R的鎳—鋼復合板，其技術參數(shù)例如表一所示。因為廠家焊接人員欠缺經(jīng)驗，經(jīng)過現(xiàn)場對焊接接頭檢查，有近百分之八十的焊接接頭發(fā)現(xiàn)肉眼可見的焊接裂紋，其中以沿著晶界的縱向裂紋是核心，最長貫穿全條裂縫[1]。

2原因分析

因為這批產(chǎn)品所運用的復合鋼板覆層材質(zhì)是N6，采用標準是《壓力容器用復合爆炸鋼板》、《加工鎳及鎳合金化學成分和產(chǎn)品形狀》。它的微觀構成是單相奧氏體構成，存在良好的韌性和塑性。其液態(tài)凝固進程里不出現(xiàn)相變，但很容易和S、P、O等元素組成低熔點類型的共晶體，從而很容易引發(fā)熱裂紋。熱裂紋具有很多種類，主要分成結晶裂紋、高溫液化裂紋以及多變化裂紋。依據(jù)現(xiàn)場操作工作狀況研究，此裂紋成型出現(xiàn)在焊縫金屬的冷卻和凝固過程中，大概在固相線之下的高溫區(qū)，初步斷定是多變化裂紋與高溫液化裂紋共存。因而焊接時需要焊接人員嚴格按照焊接工藝打坡口，依據(jù)焊接焊接工藝指導書施工焊接，同時適量運用氬氣，不能隨便提高焊接速度和改變焊接參數(shù)。在縱向裂紋端口位置沒有明顯的塑性變形裂痕，表現(xiàn)高溫低塑性裂紋特征，并且聯(lián)合裂紋的產(chǎn)生時間大概出現(xiàn)在固相線之下在結晶溫度附近。因此斷定為多變化焊縫裂紋。此低應力中的焊接裂紋由于在高溫以及應力的作用下，晶格缺失發(fā)生移動和擴散造成二次裂紋，大部分發(fā)生在焊接縫隙里。由于焊接自身便是一個不均衡的冶金進程，進而很容易出現(xiàn)大批的空位和位錯等晶格不足。這類晶格和位錯慢慢合并、擴大以及聚集，直到最終出現(xiàn)多變化焊縫裂紋。初步發(fā)現(xiàn)重點作用因素是合金成分、溫度以及應力狀態(tài)。在對焊接接頭沿焊趾裂紋位置打磨時發(fā)現(xiàn)，焊接接頭裂紋重點出現(xiàn)在母材熱影響區(qū)。這是初次結晶的晶體之間形成晶間液膜，當熔池冷卻收縮時，被液膜分割的晶體邊界就會被拉開就形成了裂紋，這是引發(fā)高溫液化焊接裂紋的主要因素，這導致其在焊接熱重復里的作用下，在熱影響區(qū)域多層焊的層間出現(xiàn)重熔，在拉應力的作用下造成的裂紋。并且，純鎳特別容易和S、P、O等元素產(chǎn)生低熔點共晶體，此類低熔點方式和液化膜的方式存留在晶界區(qū)，在溫度相比固相線低的時候的收縮應力的作用力發(fā)生裂紋[2]。焊接液化裂紋大部分發(fā)生在熱影響區(qū)域，通當做熱裂紋與脆性斷裂的根源地。

3 優(yōu)化工藝試驗

3.1 焊接材料選擇

為了掌控焊接時摻入的合金元素比率，縮減高溫液化焊接裂紋走向，選用焊接材質(zhì)的時候應該控制P、S含量，縮減低熔點共晶體的造成，并且運用氬氣作為保護氣體，防止空氣里的氧氣混入焊接過程中。由表一可知反應釜的母材基層材質(zhì)是Q345R，基層打底、填充以及蓋面的焊接形式選用焊條電弧焊，因此焊接材料根據(jù)承壓設備焊接技術評估使用熔敷金屬中的抗拉剛度超過490MPa，因此選用《承壓設備焊接工藝評定》中Fe-2-1類別的E5015焊條;覆層材料焊材選用型號SNi2061焊絲，過渡層與復合層的焊接措施選用鎢極氬弧焊，所以過渡層和復層材質(zhì)依照焊絲進行分類，選擇適合標準《承壓設備焊接工藝評定》規(guī)格型號的純鎳焊絲。原焊接工藝選擇一般氬氣作為保護，優(yōu)化以后選擇適合國家準則的氬氣需求的高純氬氣，并且氬氣的純度不能少于99.999%，在現(xiàn)場實施焊接時輸送的氬氣氣體的純凈度是99.999%，由于適量的鈰可以改善純度鎳在焊接中的力學性能，因此鎢級應選用鈰鎢極作為鎢極，尺寸為φ2.4-φ3.2mm。

3.2 坡口加工及清理

此次優(yōu)化進程里，實施焊接過程是復合板材料中的對接接頭。原有焊接工藝應用的是“V”型焊接坡口。這樣使鎳—鋼可以無限固溶，因此從減少基層熔入覆層融合比層面考慮，先焊接基層，再焊接過渡層，最后焊接復覆層。這樣能同時防止因覆層循環(huán)受熱和基層里的“C”滲入到覆層里過多而降低耐腐蝕性能。為了增加覆層中的焊接縫隙深度，同時便于查看焊接時過渡層的質(zhì)量，把基層坡口底部水平留有0.5mm的鈍邊，覆層的坡口兩邊削去5 mm，并且延伸坡口角度變?yōu)?0°[3]。優(yōu)化以后采用如圖1所示新“V”型帶鈍邊坡口。其中序號1.2.3.4.5.表示焊接程序。

焊接坡口加工符合應用等離子分割，不準許將熔渣掉落在焊接縫隙坡口以及覆層上。切割以后用金剛砂紙或砂輪打磨坡口邊緣上的毛刺，確保坡口面平滑無缺陷，不準許有影響焊接的裂紋、氧化物等缺陷。為控制錯邊量，焊縫坡口對接的時候應該確保筒體的錯邊量控制在不超過覆蓋層厚度50%，也不能超過2mm。

4 結束語

這批水解反應釜運用本文焊接工藝以后獲得良好成效，只有不到百分之八的焊接接頭需求返修，并且返修以后的焊縫經(jīng)過無損檢驗也全部符合要求，所以得出結論：（1）焊工需求嚴格執(zhí)行焊接工藝，對焊接全過程整體把關，不準許貪圖邁進，最終影響焊接質(zhì)量[4]。（2）選用適合的焊接材料和焊接坡口，焊接參數(shù)，控制有害成分的含量等各種可控因素作用是確保焊接質(zhì)量的高效措施。

參考文獻;

[1]戴永成.鎳-鋼復合板壓力容器焊接裂紋的分析及優(yōu)化工藝[J].化工設備與管道，2018，55（03）：5-8.

[2]黃志慧，張述旺，戴婧.不銹鋼復合板壓力容器的熱處理[J].山東化工，2019，48（24）：127-128.

[3]田懷連.臨氫耐熱鋼復合板壓力容器的焊接質(zhì)量控制[J].金屬加工（熱加工），2019（01）：20-22

[4]馬雯波，蔡青，鄧莉瑩.爆炸復合板壓力容器徑向裂紋的無損檢測及其安全性分析[J].焊接學報，2018，39（10）：54-60+131.

（作者單位：江蘇派斯特壓力容器有限公司）