陳春燕，楊巨順，馮可梁，曲 唱，何 萌，劉福領(lǐng)

海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

0 前言

不銹鋼復(fù)合板作為一種資源節(jié)約型產(chǎn)品，減少了貴重金屬的消耗，以其良好的成形加工性能、力學(xué)性能和耐腐蝕性能在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，如應(yīng)用于石油化工行業(yè)等強(qiáng)腐蝕性流體的生產(chǎn)容器和輸運(yùn)管道部分。其復(fù)層為耐腐蝕、耐熱、耐磨的不銹鋼，基層為強(qiáng)度相對(duì)較高、塑性韌性較好的碳鋼或低合金鋼?；鶎硬牧峡墒褂肣235B、16MnR、20R等各種普通碳素鋼和專用鋼；復(fù)層材料可使用304、316L、1Cr13和雙相不銹鋼等各種牌號(hào)的不銹鋼，其中奧氏體不銹鋼復(fù)合鋼板較為常見。

焊接是不銹鋼復(fù)合板主要的加工手段。不銹鋼復(fù)合板由兩層不同性質(zhì)的鋼板復(fù)合而成，既要滿足基層的焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，較薄的復(fù)層也要滿足耐腐蝕性能要求［1］，在焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)焊接裂紋和脆性破壞等問(wèn)題［2］。

海洋石油工程股份有限公司在制造某不銹鋼復(fù)合材料設(shè)備時(shí)，焊接合格率低，出現(xiàn)大量焊接裂紋。為提高復(fù)合板焊接質(zhì)量和焊接效率，對(duì)不銹鋼復(fù)合板焊接合格率較低的原因進(jìn)行了深入分析，并提出改進(jìn)焊接質(zhì)量的建議和措施，為后續(xù)項(xiàng)目實(shí)施提供參考。

1 問(wèn)題描述

該焊縫出現(xiàn)大量焊接裂紋的壓力容器為燃料洗滌器，其復(fù)合板母材基層材料為Q345R碳鋼，復(fù)層為S31603不銹鋼，厚度17 mm。A/B類焊縫為Q345R/S31603的對(duì)焊，其中A類焊縫為筒體縱縫，B類焊縫為筒節(jié)間和筒節(jié)與封頭間的環(huán)縫。焊接過(guò)程中按照焊接工藝卡（WPS）要求進(jìn)行施焊，A1、A2、B1、B2及焊接試件焊后RT檢驗(yàn)片中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋。B3焊后經(jīng)RT檢測(cè)發(fā)現(xiàn)裂紋，如圖1所示。其后對(duì)A1/A2/B1/B2已通過(guò)RT檢驗(yàn)合格的焊縫進(jìn)行UT橫向掃描，發(fā)現(xiàn)多處反射波，在A2和B1焊縫反射波較強(qiáng)的位置對(duì)焊縫進(jìn)行解剖后發(fā)現(xiàn)橫向裂紋。隨后對(duì)其進(jìn)行酸洗處理，在過(guò)渡層發(fā)現(xiàn)明顯裂紋。

圖1 B3的焊接缺陷Fig.1 B3’s welding defects

對(duì)該燃料洗滌器所有A1/A2/B1/B2/B3焊縫的RT結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得RT圖共48張，其中合格38張。經(jīng)計(jì)算，RT合格率僅為78%，遠(yuǎn)低于96%的公司標(biāo)準(zhǔn)。

2 原因分析

為找到解決問(wèn)題的方法，在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)焊接裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行全面檢測(cè)和分析。從作業(yè)者的操作技能、焊接設(shè)備的穩(wěn)定性、焊接方法選用的正確性、選用材料的合理性和工作環(huán)境的適宜性等方面進(jìn)行考察，如圖2所示。

圖2 原因分析Fig.2 Cause analysis

（1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，對(duì)焊接接頭進(jìn)行酸洗處理，確定焊接接頭的組織成分，分析焊接裂紋產(chǎn)生的原因。從若干個(gè)可能的原因中，分析出末端因素（見表1），確定主要原因，以找出確切可行的方案。

表1 末端因素分析Table 1 Terminal factor analysis

（2）查閱資料，分析產(chǎn)生焊接裂紋的原因。根據(jù)舍弗勒組織圖，分析焊接基本原理，嚴(yán)格控制焊縫組織的類型，從而控制其機(jī)械性能。

（3）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督解決方案的實(shí)施，以保證按照工藝對(duì)策的要求進(jìn)行。對(duì)新方案施后的結(jié)果進(jìn)行檢查，統(tǒng)計(jì)其射線檢驗(yàn)（RT）合格率是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，裂紋是否得到有效控制。

2.1 次要因素

由于公司的焊工具有豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，焊接設(shè)備遵守公司嚴(yán)格的管理制度，施工使用的焊材及鋼板都嚴(yán)格履行采辦及設(shè)計(jì)要求，室內(nèi)焊接環(huán)境基本滿足焊接條件。經(jīng)過(guò)人、機(jī)、料、環(huán)分析，均非影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素，故本文將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到焊接方法上。

2.2 坡口形式和焊材選用

不銹鋼復(fù)合板鋼制壓力容器坡口應(yīng)有利于減少過(guò)渡焊縫金屬的稀釋率，并考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作的可行性。不銹鋼復(fù)合板基層焊材應(yīng)保證焊縫金屬的耐腐蝕性能和力學(xué)性能，復(fù)層焊縫與基層焊縫以及復(fù)層金屬與基層鋼材的交界處宜采用過(guò)渡焊縫。表2為本項(xiàng)目焊接方法和焊材使用情況，其中過(guò)渡層采用的E309MoL-16焊材的Cr、Ni含量高于E316L-16，能夠有效補(bǔ)充過(guò)渡層中基層碳鋼［3］，保證過(guò)渡層合金含量。

表2 焊接方法和焊材使用情況Table 2 Welding methods and use of welding materials

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查看、檢測(cè)和分析，對(duì)比焊接工藝卡（WPS）和不銹鋼復(fù)合板焊接需求，發(fā)現(xiàn)由于坡口加工的影響，內(nèi)壁焊接第一遍時(shí)幾乎與復(fù)層平齊，過(guò)渡層合金含量難以控制。原有的坡口形式如圖3所示。

圖3 原有的坡口形式Fig.3 Original groove form

2.3 焊接順序

現(xiàn)場(chǎng)焊接工序如表3所示。由于坡口加工的影響，內(nèi)壁焊接第一遍時(shí)幾乎與復(fù)層平齊，導(dǎo)致在打底焊之上加焊一層過(guò)渡層，背部清根時(shí)到達(dá)過(guò)渡層，從而在過(guò)渡層上堆焊碳鋼，造成過(guò)渡層增碳，組織發(fā)生變化，是產(chǎn)生裂紋的主要原因。

表3 現(xiàn)場(chǎng)焊接工序Table 3 Welding procedure on site

根據(jù)實(shí)際情況，利用舍弗勒計(jì)算公式可計(jì)算出不銹鋼復(fù)合板基層和復(fù)層混合后的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量［4］。按照經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定埋弧焊稀釋率為60%，即熔池中碳鋼含量為60%，不銹鋼含量為40%。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)焊接順序模擬Fig.4 Simulation diagram of welding sequence on site

經(jīng)計(jì)算可知，在表3所示焊接順序中，過(guò)渡層的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量分別為Creq=10.2，Nieq=8.1。依據(jù)舍弗勒組織圖推斷出過(guò)渡層組織為馬氏體組織，從而驗(yàn)證了過(guò)渡層合金含量難以控制，是導(dǎo)致焊縫中奧氏體形成元素減少，最終產(chǎn)生裂紋的原因［5］。

3 改進(jìn)措施

3.1 采用組合坡口設(shè)計(jì)

為了有效控制過(guò)渡層中的合金含量，在原有坡口基礎(chǔ)上，采用組合坡口形式如圖5所示：在復(fù)層側(cè)加工至基層2 mm深度、10 mm寬度的小坡口。該小坡口能使焊工直觀地分辨出復(fù)層、過(guò)渡層和基層，以便正確選用相應(yīng)的焊材，同時(shí)精確地把控每個(gè)焊接層的高度［6］。

圖5 組合坡口Fig.5 Combination groove

3.2 改變焊接順序

焊接時(shí)先焊接內(nèi)壁基層焊縫至組合坡口碳鋼處，再焊接外側(cè)基層焊縫。待基層焊縫全部焊接完畢，進(jìn)行檢驗(yàn)，確?；鶎訜o(wú)缺陷后，再焊接過(guò)渡層和復(fù)層［7］，如表5、圖6所示。

圖6 優(yōu)化后的焊接順序模擬Fig.6 Improved welding sequence simulation

表5 優(yōu)化后的焊接順序Table 5 Improved welding sequence

優(yōu)化后的焊接順序既實(shí)現(xiàn)了同種鋼的焊接，又在過(guò)渡層補(bǔ)充了Cr、Ni合金元素。根據(jù)舍弗勒組織圖驗(yàn)證焊縫過(guò)渡層元素成分，計(jì)算出基層碳鋼Q345R的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量為：Creq=1.2，Nieq=6.1；復(fù)層不銹鋼S31603的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量為：Creq=20.5，Nieq=13.9。過(guò)渡層焊接時(shí)，設(shè)定Q345R和S31603的熔敷率相同，各占50%，計(jì)算出焊道中母材的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量分別為Creq=10.8，Nieq=10。不銹鋼焊條E309MoL-16的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量分別為Creq=26.1，Nieq=14.2，采用E309MoL-16填充過(guò)渡層，得出過(guò)渡層組織的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量分別為：Creq=21.5，Nieq=11.5。對(duì)比舍弗勒組織圖可知過(guò)渡層組織包括奧氏體和鐵素體（A+F），如圖7所示。一定量的鐵素體的存在能夠細(xì)化晶粒，阻止奧氏體晶粒過(guò)分長(zhǎng)大，提高接頭韌性，改善機(jī)械性能［8］。

圖7 過(guò)渡層成分和組織計(jì)算圖Fig.7 Calculation diagram of composition and organization of transition layer

3.3 T型接頭焊接

容器中A類焊縫和B類焊縫不可避免存在T型接頭。因復(fù)合板的特殊性，采用普通碳鋼T型接頭的焊接方法難以達(dá)到同種鋼的焊接效果。

為確保筒體縱縫與環(huán)縫交接的T型接頭組織成分，最大限度控制馬氏體組織，在縱縫焊接時(shí)，焊縫兩端預(yù)留150 mm過(guò)渡層不予焊接，待環(huán)縫基層焊完后再與縱縫預(yù)留量同時(shí)施焊，如圖8所示。

圖8 T型頭焊接Fig.8 T-joint welding

3.4 效果檢驗(yàn)

采用組合坡口設(shè)計(jì)和在新坡口形式下改變?cè)泻附禹樞虻男鹿に嚕擁?xiàng)目中的4臺(tái)復(fù)合材料設(shè)備焊接合格率如表6所示，焊縫外觀如圖9所示。

表6 焊縫檢查結(jié)果Table 6 Weld inspection results

圖9 焊接實(shí)物Fig.9 Welded objects

4 討論

4.1 薄壁不銹鋼復(fù)合板的焊接

對(duì)于壁厚T<13 mm的不銹鋼復(fù)合板，采用V型坡口，在復(fù)層側(cè)再加工至基層2 mm深度小坡口，如圖10所示。這種組合坡口可以有效地防止基層焊接時(shí)焊縫金屬對(duì)不銹鋼復(fù)層的污染，同時(shí)也有效地避免了碳鋼成分熔入不銹鋼復(fù)層中形成焊道裂紋等缺陷［9］。

圖10 T<13 mm復(fù)合板的組合坡口形式Fig.10 Combined groove form of composite plates T<13 mm

該項(xiàng)目容器制造過(guò)程中出現(xiàn)筒體與封頭錯(cuò)邊量過(guò)大的問(wèn)題。筒體在組對(duì)時(shí)的直徑與封頭是相匹配的，但是縱縫焊接完后發(fā)現(xiàn)與封頭的錯(cuò)邊量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)。原因是打底焊完成后，背部清根導(dǎo)致焊道焊肉填充過(guò)少，筒體向內(nèi)的應(yīng)力使得焊道收縮，造成筒體收縮，同時(shí)收縮的筒體增大了焊接應(yīng)力，提高了焊接裂紋和應(yīng)力腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，在薄壁不銹鋼復(fù)合板焊接時(shí)，應(yīng)在基層焊接完成后進(jìn)行背部清根。背部清根時(shí)應(yīng)十分注意，避免氣爆量過(guò)大，導(dǎo)致筒體收縮。再進(jìn)行過(guò)渡層和復(fù)層的焊接。

4.2 厚壁不銹鋼復(fù)合板的焊接

對(duì)于壁厚T>13 mm的不銹鋼復(fù)合板，采用X型坡口，在復(fù)層側(cè)再加工至基層2 mm深度小坡口，如圖11所示。這種組合坡口形式的優(yōu)點(diǎn)是：（1）減少焊接變形量；（2）與單V型坡口相比，雙面X型坡口減少了焊縫金屬的填充量，減小了焊縫的焊接應(yīng)力和焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度；（3）可有效防止基層焊接時(shí)焊縫金屬對(duì)不銹鋼復(fù)層的污染，同時(shí)也避免了碳鋼成分熔入不銹鋼復(fù)層中形成焊道裂紋等缺陷。

圖11 T＞13 mm復(fù)合板的組合坡口形式Fig.11 Combined groove form of composite plates T＞13 mm

因基層很厚，當(dāng)其達(dá)到60 mm以上時(shí)，焊接基層時(shí)注意盡量正反面對(duì)稱交叉焊接，以減小焊接變形，降低焊接應(yīng)力；復(fù)層焊縫要最后施焊，以保證其耐蝕性能。

若不銹復(fù)合板復(fù)層為奧氏體不銹鋼，確定復(fù)層焊接時(shí)層間溫度≤150℃，焊接時(shí)采用小線能量快速焊接，盡量縮短在450℃～850℃溫度區(qū)間的停留時(shí)間，以防止焊縫產(chǎn)生奧氏體晶界局部貧鉻，產(chǎn)生脆性，從而保證焊縫金屬具有良好的力學(xué)性能和抗晶間腐蝕性能。必要時(shí)可采用水冷裝置，加快焊道冷卻速度，細(xì)化晶粒，有效地提高焊接接頭的機(jī)械性能，同時(shí)減少焊接等待時(shí)間，提高復(fù)層焊接效率［10］。

5 結(jié)論

（1）為更加有效地控制過(guò)渡層合金含量，在原有坡口的基礎(chǔ)上，采用在復(fù)層側(cè)再加工至基層2 mm深度小坡口的組合坡口形式。組合式坡口能使焊工直觀地分辨出復(fù)層、過(guò)渡層和基層，正確地選用相應(yīng)的焊材，同時(shí)精確地把握每個(gè)焊接層的高度。

（2）焊接時(shí)，先焊接內(nèi)壁基層焊縫至組合坡口碳鋼處，再焊接外側(cè)基層焊縫。待基層焊縫全部焊接完畢，進(jìn)行磁粉檢測(cè)，確保基層無(wú)缺陷，然后進(jìn)行過(guò)渡層和復(fù)層的焊接。

（3）為確保筒體縱縫與環(huán)縫交接T型接頭組織成分，最大限度控制馬氏體組織。在縱縫焊接時(shí)，焊縫兩端預(yù)留150 mm過(guò)渡層不予焊接，待到環(huán)縫基層焊接完畢，再與縱縫預(yù)留量同時(shí)施焊。

（4）通過(guò)分析不銹鋼復(fù)合材料壓力容器出現(xiàn)焊接裂紋的情況，提出改進(jìn)坡口設(shè)計(jì)以及改變焊接順序的措施，顯著提高了同類項(xiàng)目不銹鋼復(fù)合材料的焊接合格率，焊接合格率由78%提高至100%，滿足公司要求，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料焊接質(zhì)量零缺陷。