唐再文羊衣木賴斌

（1.四川大學(xué)化工學(xué)院2.四川科新機(jī)電股份有限公司）

14Cr1MoR+022Cr17Ni12Mo2復(fù)合材料的焊接結(jié)構(gòu)及焊接工藝

唐再文*1，2羊衣木1，2賴斌2

（1.四川大學(xué)化工學(xué)院2.四川科新機(jī)電股份有限公司）

煤化工激冷罐的殼體材料采用14Cr1MoR+022Cr17Ni12Mo2復(fù)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(yàn)，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(fù)層的稀釋作用和碳遷移，顯著地提高了整個(gè)設(shè)備焊縫的焊接質(zhì)量，取得了良好的效果。

復(fù)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(fù)合板，復(fù)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(fù)合而成的。該類復(fù)合板的焊接性能取決于基層與復(fù)層金屬的種類（機(jī)械性能、化學(xué)成分等）、焊接坡口型式及焊縫填充的金屬材料等?；鶎雍蛷?fù)層的焊接材料在成分及性能方面存在較大的差異，基層對復(fù)層的稀釋作用強(qiáng)烈，使焊縫中奧氏體形成元素減少，碳含量增加，增大了結(jié)晶裂紋的傾向；焊接熔合區(qū)可能出現(xiàn)馬氏體組織而導(dǎo)致硬度和脆性增加。此外，由于基層與復(fù)層的含鉻量差別較大，促使碳向復(fù)層遷移擴(kuò)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(cè)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(yán)格控制焊接熱輸入、使基層一側(cè)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(jié)構(gòu)見圖1，設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖1 激冷罐結(jié)構(gòu)

表1 激冷罐的技術(shù)特性

1 焊接方法、材料和坡口的選擇

焊接的關(guān)鍵是合理地選擇基層、復(fù)層焊縫的金屬填充材料和焊接順序。焊接材料應(yīng)充分考慮母材的化學(xué)成分、力學(xué)性能和焊接接頭的抗裂性、碳含量以及設(shè)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(fù)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(dòng)焊，焊條電弧焊選用R307（E5515-B2）焊條，埋弧自動(dòng)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(fù)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(shè)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(gè)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(fù)層脫層，復(fù)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(shè)備各部件環(huán)縫坡口如圖4所示。

2 焊接工藝評定試驗(yàn)[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(xué)成分及在使用狀態(tài)下的力學(xué)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(fù)合鋼板焊接接頭的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，應(yīng)先焊基層焊縫，再焊隔離層焊縫，最后焊復(fù)層的焊縫。焊接順序?yàn)棰佟凇邸堋荩魇┖覆课蝗鐖D5所示。施焊基層①部位SAW時(shí)，距離復(fù)層4～6 mm處預(yù)留不焊；施焊④部位時(shí)，應(yīng)超過復(fù)層1 mm；基層焊后立即進(jìn)行消氫處理，溫度為300～350℃，保溫時(shí)間為3 h以上。

（1）焊接試板焊接坡口如圖5所示。

圖4 設(shè)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。基層在焊接時(shí)先預(yù)熱，預(yù)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(shè)備類型：臺燃爐或電加熱爐；熱處理類別：去應(yīng)力熱處理；熱處理方式：爐內(nèi)。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(shí)間270 min，降溫速度≤60℃/h，冷卻介質(zhì)為空氣。

3 焊接過程中的要求

3.1 焊接過程注意事項(xiàng)

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

（2）對于雙面焊焊接接頭，在進(jìn)行反面焊接前應(yīng)進(jìn)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(jìn)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(jìn)行，用于加工奧氏體不銹鋼的砂輪和磨料應(yīng)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(cè)150 mm范圍內(nèi)應(yīng)全部涂防飛濺劑，并清除坡口及兩側(cè)所有影響焊接質(zhì)量的雜物。

3.2 復(fù)合鋼板的焊接要求[8]

3.2.1 基層的焊接控制要點(diǎn)

（1）為了減少焊接接頭擴(kuò)散氫的來源，焊前應(yīng)將坡口表面及兩側(cè)100 mm范圍內(nèi)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(nèi)進(jìn)行，復(fù)層金屬上不得點(diǎn)焊任何臨時(shí)性工裝卡具。定位焊和正式焊接之間時(shí)間間隔不能過長。定位焊前必須預(yù)熱，預(yù)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(qiáng)度。引弧和熄弧都應(yīng)在坡口內(nèi)，如發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，必須清除再焊。

（3）焊前焊縫兩側(cè)母材3倍厚度范圍內(nèi)預(yù)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(yù)熱溫度，應(yīng)在施焊工件的背面用火焰控制其預(yù)熱溫度，采用紅外線測溫儀或接觸式測溫儀對預(yù)熱溫度進(jìn)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(yù)熱溫度。

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

（6）基層焊后立即進(jìn)行消氫處理，將焊縫及兩側(cè)3倍厚度范圍內(nèi)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(nèi)外壁都達(dá)到要求；焊縫內(nèi)外側(cè)均用保溫棉進(jìn)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(shí)應(yīng)先對待焊面進(jìn)行滲透檢測，焊前應(yīng)清理影響焊接質(zhì)量的油、銹等雜質(zhì)。按工藝進(jìn)行預(yù)熱，焊接時(shí)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(yán)格控制道間溫度。

3.2.3 復(fù)層的焊接要求

復(fù)層焊接時(shí)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(yán)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(jìn)行無損檢測[9]。

4 焊接工藝試驗(yàn)結(jié)果[10]

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

（1）對基層熔敷金屬化學(xué)成分進(jìn)行分析，如表3所示。

表3 基層熔敷金屬化學(xué)成分

（2）對復(fù)層熔敷金屬化學(xué)成分進(jìn)行分析，如表4所示。

表4 復(fù)層熔敷金屬化學(xué)成分

（3）對基層熔敷金屬力學(xué)性能進(jìn)行分析，其實(shí)測值如表5所示。

5 結(jié)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(fù)層的稀釋作用和碳遷移，并顯著地提高了整個(gè)設(shè)備焊縫的焊接質(zhì)量。經(jīng)過此次焊接工藝試驗(yàn)和焊接參數(shù)分析，可得出如下結(jié)論：

表5 基層熔敷金屬的力學(xué)性能實(shí)測值

（1）所選焊材能有效地控制焊接時(shí)基層對復(fù)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(jié)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(dǎo)致硬度和脆性增加的可能性。

（2）基層與復(fù)層間加焊的隔離層，有效地防止了碳向復(fù)層遷移擴(kuò)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(cè)熱影響區(qū)的軟化。

（3）基層的焊接過程中主要應(yīng)控制好“三熱”，即預(yù)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(yù)熱溫度200℃。

（4）隔離層與復(fù)層焊接時(shí)應(yīng)先進(jìn)行預(yù)熱，焊接時(shí)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(yán)格控制道間溫度。

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

[2]焊接學(xué)會(huì).焊接手冊（第2卷）[M].北京：機(jī)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(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]NB/T 47014—2011承壓設(shè)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(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理學(xué)會(huì).熱處理手冊（第1卷）：工藝基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)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(fù)合板焊接[J].石油化工設(shè)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(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗(yàn)[S].

我國首套10萬等級空壓機(jī)組試車成功

2014年12月22日，我國首臺（套）全國產(chǎn)化10萬Nm3/h等級特大型空分主風(fēng)機(jī)在陜鼓動(dòng)力公司進(jìn)行了工廠性能測試。經(jīng)過測試，陜鼓動(dòng)力研制的10萬Nm3/h等級空分主風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能達(dá)到設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)要求。這標(biāo)志著陜鼓動(dòng)力打破了國外公司壟斷，具備了全國產(chǎn)化研發(fā)、制造特大型空分壓縮機(jī)的能力，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

山東潤銀生物科技股份有限公司、久泰能源內(nèi)蒙古有限公司分別與陜鼓動(dòng)力簽訂了10萬Nm3/h和8.2萬Nm3/h等級空分壓縮機(jī)組合作框架意向書?？辗謮嚎s機(jī)組是煤炭深加工、石油化工、化肥及冶金等行業(yè)廣泛應(yīng)用的核心關(guān)鍵設(shè)備。陜鼓動(dòng)力以重大裝備國產(chǎn)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(jī)組的自主研發(fā)工作。為使用戶使用安全、可靠、技術(shù)成熟的產(chǎn)品，陜鼓動(dòng)力又投入研發(fā)費(fèi)用對國產(chǎn)10萬Nm3/h等級空分壓縮機(jī)進(jìn)行樣機(jī)研制。

作為全新開發(fā)的機(jī)組，陜鼓動(dòng)力技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)在已掌握成熟可靠大型軸流壓縮機(jī)技術(shù)、大型離心壓縮機(jī)技術(shù)和機(jī)組優(yōu)化匹配技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用軸流加離心復(fù)合式空壓機(jī)技術(shù)進(jìn)行了10萬Nm3/h等級空分主風(fēng)機(jī)技術(shù)再創(chuàng)新。

10萬等級空分壓縮機(jī)采用軸流加離心復(fù)合式壓縮機(jī)技術(shù)，有三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)：一是先進(jìn)可靠的軸流壓縮機(jī)技術(shù)；二是軸流壓縮機(jī)與離心壓縮機(jī)氣動(dòng)性能匹配技術(shù)；三是轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)計(jì)算所支持的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。陜鼓動(dòng)力已擁有1600余臺（套）軸流壓縮機(jī)設(shè)計(jì)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，最大流量72萬Nm3/h。在大型空分離心壓縮機(jī)方面，陜鼓動(dòng)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(dòng)力有100多套軸流壓縮機(jī)與離心壓縮機(jī)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。