20R+405焊接

　制　造　与　安　装　 20R + 405复合钢板的焊接 王宏红 ,苗西雨 (大庆油田建设集团 ,黑龙江 大庆 　163453) 摘 　要 :在 20R + 405复合板实际生产中 ,选择不同的焊接 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 参数和焊接材料对接头进行焊接 ,对 焊接接头进行力学性能、耐腐蚀性试验等性能检测 ,并将检测结果进行分析和比较。试验结果证 明 ,所采用的焊接材料和焊接工艺参数符合此材料的焊接。 关键词 :复合钢板 ;焊接性 ;焊接材料 ;焊接工艺 中图分类号 : TG44　　文献标识码 : B　　文章编号 : 1001 - 4837 (2008) 01 - 0043 - 04 W eld ing Process of 20R + 405 Com posite Pla te W ANG Hong - hong, M IAO X i - yu (Construction Group of Daqing O il Field, Daqing 163453, China) Abstract:On the p ractical p roduction of 20R + 405 material, the welding joint is studied, including ca2 pability of mechanics and anticorrosion. W e select different welding parameter to weld this material, and test different welding joint. The experimental results p rove the welding p rocess is correct. Key words: composite p late; weldability; welding material; welding technology 1　前言 不锈钢复合钢板材料在石油化工压力容器制造 中应用越来越多 ,复层材料也由奥氏体不锈钢转变 到铁素体不锈钢和双相不锈钢。2006年为某集团 制造的脱吸塔等设备 ,壳体材料为 20R + 405复合 钢板 ,厚度为 22 mm + 3 mm。复合钢板为爆炸法生 成。容器工作温度 50 ℃,介质为液化气、干气、汽油 等。根据相关资料 [ 1 ]进行多组次焊接工艺评定试 验 ,确定了较为合理的焊接材料匹配、焊接工艺规范 和焊接热处理参数等 ,确定了不锈钢复合钢板的焊 接工艺。 2　焊接性分析 20R + 405不锈钢复合钢板 ,复层为 405,属于 铁素体不锈钢 ;基层材料 20R,为低碳钢 ,在退火状 态供货 ,化学成分见表 1[ 2 ] ,力学性能及弯曲性能见 表 2。 表 1　20R与 405化学成分 ( % ) 钢号 C Si Mn P S N i Cr Cu A l 405 0. 07 0. 85 0. 96 0. 021 0. 003 0. 57 12. 64 — 0. 23 20R 0. 15 0. 24 0. 55 0. 013 0. 007 — — — 0. 043 　　 20R和 405在化学成分和力学性能上存在很 大的差异。20R的焊接很容易实现 ,焊接的难点就 是过渡层及复层的焊接。 2. 1　合金元素迁移影响 复层铁素体不锈钢在退火状态下焊接 ,在其焊 后冷却过程中 ,由于碳在铁素体中的扩散速度比在 奥氏体中快得多 [ 3 ] ,迅速扩散到晶界区 ,加上本身 晶界的碳的浓度高于晶内 ,故在晶界上沉淀出碳化 ·34· 物 ,而铬的扩散速度慢 ,来不及补充到晶界上 , C与 大量 Cr形成碳化物析出后 ,会造成铁素体不锈钢晶 界贫铬 [ 4 ] ,焊缝在腐蚀介质中工作时 ,会引起晶间 腐蚀 ,且这种腐蚀往往紧挨着焊缝的高温区。 表 2　基层 20R、405钢的力学性能及弯曲性能 钢号 力学性能 σb (MPa) σS (MPa) δ5 ( % ) τb (MPa) 20 ℃, AKV (J)线膨胀系数α 冷弯试验 180°, d = 2a 20R 465 280 31 385 68 10. 6～14 外弯、内弯 ,合格 405 450 210 25 — — 16. 6～19 外弯、内弯 ,合格 2. 2　焊接热循环影响 在焊接热循环下 ,由于两种材料线膨胀系数的 差别 ,在两金属交界面存在较大的热应力 ,而且随着 物理性能差别的增大 ,这种热应力也就越大 ,这样有 可能在焊接热循环过程中因应力而开裂 [ 1 ]。另外 , 铁素体不锈钢晶粒在近缝区也容易过热而长大 ,易 产生冷裂纹。所以焊接过程中选择小直径焊条 ,采 用小线能量 ,多层多道焊 ,后一层的焊道会对前一层 焊道起热处理作用 ,但必须控制好层间温度。 2. 3　过渡层和复层焊接材料的影响 焊接方法、参数、焊接材料不同时 ,焊缝成分有 很大差别 ,应减少或防止融合区和晶界上析出碳化 物。为防止熔池中 C原子在铁素体不锈钢中的扩 散 ,采用含 C量低的奥氏体焊接材料 ;或者选择跟 405同组织的焊接材料 ,以确保焊缝的耐腐蚀性能。 同时要减少母材融合比 ,降低焊接过程中对母材的 稀释。 2. 4　热处理的影响 405不锈钢焊缝在 500～925 ℃范围停留时 ,存 在σ相析出脆化问题 ,也存在 475 ℃脆性。在焊接 循环和热处理中尽力避免高温停留 ,或在焊接完毕 后加热到 930～980 ℃以上保温 3 h后急冷 ,以消除 脆化 ;另外 ,对于铁素体高温区产生的敏化 ,也可采 用 700～850 ℃退火 ,使 Cr均匀化 ,退火后快冷。由 于考虑到 20R珠光体钢在 700～850 ℃温度区间内 属于碳钢相变区 ,影响其力学性能 ,所以试验选择退 火温度为 930 ℃,保温 3 h。 3　焊接工艺 3. 1　焊接材料及焊接方法 (1)过渡层和面层焊接时 ,有 4种焊接材料可 选择 [ 5 ] : 1)与异种钢焊接接头合金质量分数较低一侧 母材金属成分相同的材料 (低匹配 ) ; 2)与异种钢焊接接头合金质量分数较高一侧 母材金属成分相同的材料 (高匹配 ) ; 3)介于异种钢焊接接头成分中间材料 (中匹 配 ) ; 4)完全不同于异种钢焊接接头两侧母材的金 属成分。 为验证接头的性能 ,分别采用 A062和 A132材 料为过渡层和面层 ;采用 G307材料做过渡层和面 层。 (2)根据复合钢板中两种材质的焊接性 ,过渡 层和复层焊接采用手工焊条电弧焊 ,基层焊接采用 手工焊条电弧焊加埋弧焊 ;当过渡层和复层焊接材 料选择奥氏体不锈钢焊条时 ,焊接过程不需要预热 和热处理 ;选择与 405不锈钢同组织的 G307焊条 焊接时 ,焊前采取预热措施 ,焊后进行退火处理 ,分 为热处理与不热处理两种 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 进行评定验证。 (3)基层 20R的焊接采用焊条电弧焊进行基层 焊缝的打底焊 ,采用 H08Mn2Si + SJ101埋弧焊填充 盖面。 1)方案一 ———不热处理 :为了验证焊缝面层的 耐腐蚀性能 ,过渡层采用 A062焊条电弧焊接 ,面层 分别采用焊条电弧焊 E347 - 16 (A132)和 E309L - 16 (A062)。比较两种面层耐腐蚀性能等性能。 2)方案二 ———热处理 :过渡层和面层都采用 G307焊条电弧焊。采用了两种不同的退火温度 ,对 热处理后焊缝的耐蚀性和力学性能及弯曲性能进行 对比。 (4)试板分组如表 3所示 ,试板尺寸为 600 mm ×300 mm ×(22 + 3) mm。 表 3　试件分组 试件 编号 焊接材料 基层 过渡层 面层 是否热处理 A1 A2 B 1 B 2 H08Mn2Si/SJ101 J427, ª3. 2 /4 A062, ª4 A062, ª4A062, ª4 A132, ª4G307, ª4 G307, ª4 G307, ª4 G307, ª4 不热处理930 ℃退火760～816 ℃退火 ·44· CPVT　　　　　　　　　　　　　　　　20R + 405复合钢板的焊接 　　　　　　　　　　　　　　　　Vol251No1 2008 3. 2　坡口型式及尺寸 一般坡口角度越大 ,熔合比越小 ;坡口越小 ,融 合比越大。为了降低 20R与 405间的稀释率 ,选择 的坡口尺寸如图 1所示。 图 1　复合板坡口示意 　　坡口下料时 ,采用火焰切割与机械切割相结合 的方法。火焰切割时复层向下 ,并防止基层的溶渣 溅到复合表面 ;切割时预留加工余量 ,切割完毕后 , 采用机械加工方法把热影响区刨掉 ;坡口完成后 ,按 JB /T 4730进行渗透检测 ,确保无分层和裂纹 ,以防 止影响最后结果的准确性。 3. 3　复层焊接工艺参数 (1)焊接前用丙酮溶液擦不锈钢坡口表面 ;如 果超过 1 h而未被施焊时 ,再次用丙酮液擦施焊表 面 ;所有的焊条严格按照焊条说明书的温度进行烘 干 ,并放在保温筒里 ,随用随取 ,超过 4 h时必须重 新烘干 ,且烘干次数不能超过 2次 ;采用小的线能量 施焊 ,不摆动 ,多层多道焊。 (2)焊接顺序 :先焊基层 ,其次焊过渡层 ,焊复 层。 (3)当不采用热处理焊接方案时 :采用奥氏体 焊接材料焊接过渡层和面层 ,焊前不需要预热 ,焊后 也不采用热处理 ;起始温度不低于 15 ℃;焊接时焊 条不摆动 ;小电流电压 ,多层多道焊接 ;基层的清根 使用碳弧气刨 ,过渡层和面层清根时均采用砂轮机 ; 层间温度 ≤60 ℃ (采取强制冷却方法 )。焊接层数 及其对应的焊接参数如表 4所示。 表 4　不采用热处理方案焊接工艺参数 试件 编号 代号 焊接方法 层数 焊接材料 电流 (A) 电压 (V) 焊接速度 ( cm /m in) 层间温度 (℃) A1 1 焊条电弧焊 内 1 J427, ª3. 2 90～120 18～23 5～15 ≤300 2 焊条电弧焊 内 2～3 J427, ª4 150～185 24～28 8～20 ≤300 3 埋弧焊 外 1～4 H08Mn2Si/SJ101 550～650 36～40 35～45 ≤300 4 焊条电弧焊 内 4～6 A062, ª4 130～175 22～26 5～15 ≤60 A2 1 焊条电弧焊 内 1 J427, ª3. 2 90～120 18～23 5～15 ≤300 2 焊条电弧焊 内 2～3 J427, ª4 150～185 24～28 8～20 ≤300 3 埋弧焊 外 1～4 H08Mn2Si/SJ101 550～650 36～40 35～45 ≤300 4 焊条电弧焊 内 4 A132, ª4 130～175 22～26 5～15 ≤60 5 焊条电弧焊 内 5～6 A062, ª4 130～175 22～26 5～15 ≤60 　　注 :电源极性为直流反接。 　　 (4)当采用热处理方案时 :采用 G307焊条电弧 焊接过渡层和面层 ;过渡层和复合层焊接前预热到 150 ℃;焊接时焊条不摆动 ;层间温度 150 ℃;其它 的焊接要求同前方案 ;两试件焊接后分别进行 930 ℃退火后空冷和 760～816 ℃退火后空冷。 焊接层数及焊接参数如表 5所示。 4　试验结果评定及分析 　　在试件全焊接完毕后 ,对试件进行 100% X射 线检测 ,结果都符合 JB /T 4730 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 Ⅱ级要求 ;复层 按 JB /T 4730进行 100%渗透检测 ,均为 Ⅰ级。 按照 JB 4708的规定对试件基层进行力学性能 及弯曲性能检测 (拉伸、弯曲、常温冲击 ) ,检测数据 见表 6。对复层进行渗透、弯曲、化学成分分析 ,按 GB /T 4334. 5的规定对复层进行耐腐蚀性试验 ,试 验结果见表 7。 ·54· 第 25卷第 1期 　　　　　　　　　　　　　　　　压 　　力 　　容 　　器 　　　　　　　　　　　　　　　总第 182期 表 5　采用热处理方案焊接工艺参数 试件 编号 代号 焊接方法 层数 焊接材料 电流 (A) 电压 (V) 焊接速度 ( cm /m in) 层间温度 (℃) B 1 1 焊条电弧焊 内 1 J427, ª3. 2 90～120 18～23 5～15 ≤300 2 焊条电弧焊 内 2～3 J427, ª4 150～185 24～28 8～20 ≤300 3 埋弧焊 外 1～4 H08Mn2Si/SJ101 550～650 36～40 35～45 ≤300 4 焊条电弧焊 内 4～6 G307, ª4 130～175 22～26 5～15 ≤60 B 2 1 焊条电弧焊 内 1 J427, ª3. 2 90～120 18～23 5～15 ≤300 2 焊条电弧焊 内 2～3 J427, ª4 150～185 24～28 8～20 ≤300 3 埋弧焊 外 1～4 H08Mn2Si/SJ101 550～650 36～40 35～45 ≤300 4 焊条电弧焊 内 4～6 G307, ª4 130～175 22～26 5～15 ≤60 　　注 :电源极性为直流反接。 表 6　力学性能及弯曲性能检测数据 拉伸试验 ( GB 228—87) 弯曲试验 ( GB 232—88) 试样 编号 试验 温度 (℃) σb (MPa) 断裂 部位 试样 编号 试样 类型 试样 厚度 (mm) 弯曲结果 (α = 180°, D = 40) 1 20 505 母材 2 20 495 母材 规定值 > 412 MPa 1, 2 3, 4 侧弯 10 合格 冲击试验 ( GB /T 229—94) 剪切试验 试样 编号 试验 温度 (℃) 试样 缺口 方向 尺寸(mm) 型式 位置 冲击功 (J) 1 2 3 20 横向 10 ×10×55 Ⅴ 焊缝 116 125 68 1 2 3 20 横向 10 ×10×55 Ⅴ 热影 响区 106 142 85 标准规定值 > 27 J 剪切强度为 255 MPa 表 7　晶间腐蚀试验 材料 试验方法 压头直径(mm) 弯曲角度 (°) 结果 405 T法 5 180 合格 　　对于大厚度不锈复合钢板焊接件 ,焊后热处理 可降低焊接残余应力 ,但这时不仅要考虑到不锈钢 的耐蚀性 ,还要考虑到基层与复层交界面物理及组 织的不均匀性 ;若热处理温度较高 ,还应考虑贴合面 的剪切强度。这是由于在二次加温时 ,存在 C元素 与 Cr元素的亲和迁移 ,随着热处理温度的升高 ,在 交界面上碳钢一侧向不锈钢的扩散速度加快 ,温度 越高 ,时间越长 ,碳的迁移越严重 ,这样碳钢一侧形 成铁素体脱碳层 ,强度下降 ,而不锈钢侧则被渗碳 , 韧性下降 ;另外 ,虽然在热处理过程中 ,加热到高温 时 ,借助于松弛过程 ,可以降低焊接残余应力 ,但在 随后的冷却过程中 ,由于两侧材料物理性能的差异 , 不可避免地又产生了新的残余应力。 5　结论 (1) 20R + 405的焊接既可采用与复层材料为 同一金相组织的焊接材料 ,也可选择奥氏体焊接材 料。但从生产过程可操作性、材料的耐腐蚀性以及 力学性能等诸多方面考虑 ,推荐使用奥氏体焊接材 料 A062焊接过渡层、A062焊接面层的焊接方法。 (2)焊接过程中主要是防止热输入过大 ,以免 加大 C扩散层的发展以及产生碳化物组织 ;采用较 小的焊接工艺参数、不摆动、多层多道焊、选择合适 的坡口角度以控制合适的熔合比。 (3)不锈复合钢板焊接件焊后尽可能不进行热 处理。 参考文献 : [ 1 ]　陈茂爱. 复合材料的焊接 [M ] . 北京 :化学工业出版 社 , 2005. [ 2 ]　陈祝年. 焊接 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师手册 [M ]. 北京 :机械工业出版 社 , 2006. [ 3 ]　薛松柏. 焊接材料手册 [M ]. 北京 :机械工业出版社 , 2006. [ 4 ]　SH /T 3527—1999,石油化工不锈钢复合钢焊接规程 [ S ] . [ 5 ]　李箕福. 不锈钢及耐蚀耐热合金焊接 100问 [M ]. 北 京 :化学工业出版社 , 2003. 收稿日期 : 2007 - 10 - 30　　修稿日期 : 2007 - 12 - 27 作者简介 : 王宏红 (1974 - ) ,男 ,工程师 ,主要从事石油化工 建设项目的压力容器焊接及现场安装 ,通讯地址 :黑龙江 大 庆油田建设集团化建公司技术质量部。 ·64· CPVT　　　　　　　　　　　　　　　　20R + 405复合钢板的焊接 　　　　　　　　　　　　　　　　Vol251No1 2008