劉玉祥

（森松（江蘇） 重工有限公司上海分公司， 上海 201323）

0 前 言

近年來， SA-516 Gr.70+N04400 復(fù)合板在煉化行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。 該復(fù)合板基層采用SA-516 Gr.70 碳鋼， 復(fù)層為N04400 鎳銅合金， 通過爆炸復(fù)合或軋制復(fù)合的工藝， 使兩種材料達(dá)到原子間的結(jié)合[1-2]。 SA-516 Gr.70 材料價(jià)格便宜且具有較高的強(qiáng)度， 在工程上得到了廣泛的應(yīng)用。N04400 合金對氫氟酸、 氟氣、 熱濃堿液、 海水、 有機(jī)化合物等均有良好的抗腐蝕能力， 且一般不產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋[3-6]。 但由于N04400 合金主要元素為鎳、 銅， 均為貴金屬元素， 造成N04400 合金價(jià)格昂貴。 SA-516 Gr.70 與N04400兩種材料的復(fù)合克服了單種材料的某些缺點(diǎn)， 既保證了強(qiáng)度又保證了耐蝕性， 且節(jié)約了價(jià)格昂貴的合金材料， 降低了成本[7]。

1 材料化學(xué)成分

SA-516 Gr.70 為碳鋼板， 滿足ASME 標(biāo)準(zhǔn)II卷A 篇對于SA-516 的要求， 抗拉強(qiáng)度≥485 MPa，基體組織為鐵素體+少量的珠光體[8]， 其化學(xué)成分見表1。 N04400 為鎳銅合金， 滿足ASME 標(biāo)準(zhǔn)II 卷B 篇對于SB-127 N04400 的要求， 退火態(tài)抗拉強(qiáng)度≥485 MPa， 基體組織為單相奧氏體組織[9]， 其化學(xué)成分見表2。

表1 SA-516 Gr.70 碳鋼板的化學(xué)成分%

表2 SB-127 N04400 合金化學(xué)成分%

2 焊接性分析

SA-516 Gr.70+N04400 復(fù)合板的焊接， 涉及到基層SA-516 Gr.70 碳鋼間的焊接、 復(fù)層N04400合金的焊接及N04400 鎳銅合金與SA-516 Gr.70碳鋼間的焊接。 N04400 合金與SA-516 Gr.70 碳鋼焊接為異種鋼焊接， 其焊接需考慮以下四個(gè)問題。

2.1 熱裂紋

N04400 合金為鎳銅二元合金， 其中銅的含量為28%～34%， 銅與鐵的熔點(diǎn)差異較大， 銅的熔點(diǎn)為1 084 ℃， 鐵的熔點(diǎn)為1 535 ℃， 銅與鋼焊接時(shí)， 鋼中的鐵凝固時(shí)， 焊縫中的銅還處于液態(tài)， 在焊接拉應(yīng)力的作用下易產(chǎn)生熱裂紋[10]。

2.2 熱影響區(qū)滲透裂紋

N04400 合金與碳鋼焊接過程中， 液態(tài)的銅為低熔點(diǎn)液體， 并且具有良好的流動(dòng)性， 結(jié)晶過程中， 液態(tài)的銅會(huì)向碳鋼焊接熱影響區(qū)微裂紋處浸潤， 并發(fā)生毛細(xì)現(xiàn)象， 向微裂紋處持續(xù)滲透，又由于銅與鋼的互溶性差， 鋼對滲透的液態(tài)銅不能溶解， 在焊接應(yīng)力的作用下產(chǎn)生熱影響區(qū)裂紋， 稱之為滲透裂紋[11]。

2.3 焊接未熔合

N04400 合金中鎳的含量高達(dá)63%以上， 鎳元素固液相區(qū)間窄， 導(dǎo)致焊縫金屬的流動(dòng)性差，具有熔深淺的特點(diǎn)。 與碳鋼焊接時(shí)， 易發(fā)生未熔合現(xiàn)象， 焊接時(shí)， 應(yīng)采用微擺動(dòng)的焊接操作手法。

2.4 弧坑裂紋

N04400 合金的焊接具有和其他鎳基合金焊接相同的弧坑裂紋特性， 焊接收弧時(shí)， 其弧坑受多向拉應(yīng)力的作用， 產(chǎn)生焊接弧坑裂紋。 焊接收弧時(shí)， 弧坑需要填滿， 焊槍滯后斷氣， 保證熔池完全冷卻下來。

3 焊接材料選擇

與N04400 化學(xué)成分相匹配的焊材牌號為ERNiCu-7， N04400 合金與碳鋼之間的焊接采用ERNiCu-7 焊材時(shí)， 焊縫極易產(chǎn)生熱裂紋，碳鋼側(cè)熱影響區(qū)容易產(chǎn)生滲透裂紋， 因此，N04400 合金與碳鋼之間焊接采用牌號為ERNi-1 的純鎳焊絲作為中間過渡層， 耐蝕層采用牌號為ERNiCu-7 的焊絲。 鎳與鋼有良好的互溶性， 鎳與銅也可以無限互溶[12-13]， 選用牌號為ERNi-1 的焊材作為過渡層可有效解決銅與鋼之間焊接熱裂紋及滲透裂紋的問題。

4 堆焊工藝評定試驗(yàn)

堆焊工藝評定試驗(yàn)采用規(guī)格為300 mm×300 mm×10 mm 的SA-516 Gr.70 碳鋼作為基板， 采用手工GTAW 焊接方法， 過渡層焊接材料為ERNi-1 焊絲， 焊絲規(guī)格為Φ2.4 mm，耐蝕層焊接材料為ERNiCu-7 焊絲， 焊絲規(guī)格為Φ2.4 mm。

4.1 評定試板堆焊

評定試板堆焊過程中， 過渡層的層間溫度不高于150 ℃， 復(fù)層的層間溫度不高于90 ℃。ERCuNi-7 焊絲在堆焊后， 其化學(xué)成分中的鐵元素含量容易偏高， 為了更好的控制焊接稀釋率，保證堆焊后化學(xué)成分， 焊接線能量不宜過高， 焊道搭接量控制在焊道寬度的50%～70%， 對焊道進(jìn)行清理時(shí)不宜采用鋼絲輪或鋼絲刷， 避免鋼絲輪或鋼絲刷上的鐵元素過渡到堆焊層上， 影響堆焊化學(xué)成分， 宜采用全新的葉輪片進(jìn)行清理， 具體焊接工藝參數(shù)見表3。

表3 GTAW 堆焊焊接工藝參數(shù)

4.2 理化試驗(yàn)

（1） 彎曲試驗(yàn)

對堆焊試板取彎曲試樣， 對試樣進(jìn)行側(cè)向彎曲試驗(yàn)， 彎頭直徑為40 mm， 彎曲角度為180 °， 試樣彎曲后， 彎曲面的焊縫及熱影響區(qū)均無裂紋。

（2） 硬度試驗(yàn)

采用數(shù)顯維氏硬度計(jì)對試板截面進(jìn)行硬度檢測， 檢測結(jié)果見表4。

表4 試板截面不同位置維氏硬度（HV10)

（3） 化學(xué)成分分析

對距熔合線3 mm 位置處進(jìn)行化學(xué)成分分析，采用直讀式光譜儀檢測， 檢測結(jié)果見表5， 滿足ASME SFA-5.14 標(biāo)準(zhǔn)中ERNiCu-7 焊絲成分要求。

表5 距熔合線3 mm 位置處化學(xué)成分%

（4） 宏觀及顯微組織形貌分析

取焊縫截面試樣， 打磨拋光后， 采用5%硝酸酒精溶液和王水溶液侵蝕， 觀察其宏觀形貌， 焊縫宏觀形貌如圖1 所示。 由圖1可以看出， 焊縫金屬與母材熔合良好， 無裂紋、 未熔合、 未焊透等缺陷。 對過渡層熔深進(jìn)行測量，測得熔深為0.6 mm。

圖1 焊縫宏觀照片

在顯微鏡下放大200 倍觀察， 焊縫、 熱影響區(qū)均未見顯微裂紋及其他缺陷， SA-516 Gr.70焊縫及熱影響區(qū)組織形貌如圖2 所示。

圖2 SA-516 Gr.70 焊縫及熱影響區(qū)顯微組織形貌

5 SA-516 Gr.70+N04400 復(fù)合板焊接

5.1 坡口設(shè)計(jì)

SA-516 Gr.70+N04400 復(fù)合板的焊接， 先焊接SA-516 Gr.70 基層母材， 然后再焊接N04400復(fù)層， 其焊接節(jié)點(diǎn)形式如圖3 所示。 圖3 （a）的坡口形式適合外側(cè)埋弧焊焊接、 內(nèi)側(cè)碳弧氣刨清根+內(nèi)側(cè)埋弧焊的工藝方案， 但碳弧氣刨清根后， 會(huì)對內(nèi)側(cè)N04400 復(fù)層形成污染， 并且內(nèi)側(cè)僅留10 mm 的剝邊寬度經(jīng)碳弧氣刨清根后， 會(huì)損傷到N04400 復(fù)層， 為了不傷及N04400 復(fù)層，勢必需要增大剝邊寬度， 增加N04400 堆焊量，因此該坡口形式不可取。 圖3 （b） 的坡口適用于內(nèi)側(cè)埋弧焊、 外側(cè)碳弧氣刨清根+外側(cè)埋弧焊的工藝方案， 該坡口適合大直徑大壁厚的設(shè)備使用。 圖3 （c） 坡口適合外側(cè)氬弧焊打底+焊條填充+埋弧焊蓋面的工藝方案， 該坡口最大的優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)側(cè)復(fù)層堆焊工作量少， 節(jié)省內(nèi)側(cè)復(fù)層堆焊的時(shí)間， 并減少鎳基焊材使用量， 節(jié)約成本。

圖3 SA-516 Gr.70+N04400 復(fù)合板不同焊接坡口形式

5.2 N04400 復(fù)層焊接

N04400 復(fù)層焊接采用手工GTAW 焊接方法， 過渡層焊材采用ERNi-1 焊絲， 堆焊時(shí)需先進(jìn)行 “封邊” 焊接， 即先從剝邊位置開始焊接，如圖4 所示， 避免從一側(cè)剝邊位置依次布置焊道， 最終在另一側(cè)剝邊處形成如圖5 所示的小夾角空間， 成為焊接死角， 導(dǎo)致該位置出現(xiàn)焊接未熔合缺陷。 另外， 封邊焊接時(shí)， ERNi-1 過渡層焊材要把碳鋼邊緣部分完全蓋住， 避免后續(xù)進(jìn)行耐蝕層焊接時(shí)， 耐蝕層焊材ERNiCu-7 與碳鋼接觸， 極易產(chǎn)生熱裂紋及熱影響區(qū)滲透裂紋。

圖4 復(fù)層封邊焊接

圖5 焊接死角

5.3 產(chǎn)品焊接

本研究SA-516 Gr.70+N04400 復(fù)合板厚度為30 mm+4 mm， 設(shè)備筒體縱焊縫及環(huán)焊縫坡口形式按圖3 （c） 設(shè)計(jì)， 基層SA-516 Gr.70采用手工氬弧焊+焊條電弧焊+埋弧焊工藝焊接。 基層焊接后， 采用砂輪對復(fù)層內(nèi)側(cè)氬弧焊余高進(jìn)行打磨， 打磨至與內(nèi)側(cè)碳鋼母材平齊，然后對內(nèi)側(cè)焊縫進(jìn)行100% PT 檢測， 檢測合格后方可進(jìn)行N04400 復(fù)層焊接。 復(fù)層過渡層焊接采用手工GTAW 焊接方法， 層數(shù)為1 層，過渡層堆焊后進(jìn)行100% PT 檢測， 檢測合格后堆焊耐蝕層， 耐蝕層堆焊3 層。 復(fù)合板焊接設(shè)計(jì)方案如圖6 所示， 具體焊接材料及焊接參數(shù)見表6。 耐蝕層堆焊后對其進(jìn)行100% PT 檢測， 對外側(cè)SA-516 Gr.70 焊縫進(jìn)行100% MT檢測， 對基層及復(fù)層堆焊焊縫進(jìn)行100% RT檢測， 對堆焊焊縫兩側(cè)50 mm 的N04400 母材進(jìn)行100% UT 分層檢測， 從而使縱焊縫及環(huán)焊縫的合格率達(dá)到98%。

圖6 復(fù)合板焊接設(shè)計(jì)方案

表6 SA-516 Gr.70+N04400 復(fù)合板焊接參數(shù)

5.4 焊接試板化學(xué)成分檢測

設(shè)備筒體縱焊縫焊接帶有焊接試板， 焊接試板的坡口形式以及焊接工藝與產(chǎn)品縱焊縫焊接完全相同。 產(chǎn)品焊接試板焊后， 對試板堆焊層進(jìn)行化學(xué)成分分析， 分析位置為距離過渡層熔合線3.0 mm 處， 具體檢測結(jié)果見表7， 其結(jié)果滿足ERNiCu-7 焊絲的成分要求。 經(jīng)測量， 過渡層熔深為0.5 mm， 復(fù)合板坡口剝邊深度1.5 mm， 復(fù)層厚度4.0 mm， 即總的堆焊厚度為5.5 mm， 距離過渡層熔合線3.0 mm 處化學(xué)成分合格。 復(fù)合板有效化學(xué)成分堆焊層為3.0 mm， 滿足項(xiàng)目保證堆焊層不低于2 mm 的有效化學(xué)成分的要求。

表7 堆焊層化學(xué)成分分析結(jié)果%

6 結(jié)束語

本研究分析了SA-516 Gr.70 碳鋼與N04400鎳銅合金異種材料的焊接特性， 選擇ERNi-1 焊絲作為過渡層焊材， 耐蝕層采用ERNiCu-7 焊材， 通過焊接工藝評定試驗(yàn)的驗(yàn)證， 證明工藝的可靠性， 其力學(xué)性能及化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并將該工藝成功應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)， 保證了SA-516 Gr.70+N04400 復(fù)合板的焊接質(zhì)量。