S31603和Q345R异种钢焊接工艺

2013-08-06史维琴

电焊机 2013年9期

史维琴

（常州工程职业技术学院机械系，江苏常州 213164）

0 前言

某再生塔塔体由两部分组成，上部分为12 mm的低合金钢Q345R，按照产品技术要求必须进行620℃±20℃热处理；下部分为16 mm的奥氏体不锈钢S31603，不允许进行热处理。产品的终止焊缝是S31603和Q345R异种钢对接。为此进行了焊接工艺评定试验，其弯曲试样在Q345R侧发生开裂，如图1所示。为此，从Q345R与S31603异种钢的焊接性，以及选择焊接方法、焊接坡口、焊接材料、焊接热输入、预热和层间温度等方面分析、探讨产生开裂的原因，并焊接模拟件，确定合适的焊接工艺，来保证其焊接接头的性能。

1 焊接性分析

图1 开裂的弯曲试样

Q345R是低合金钢，常温组织是珠光体，S31603是奥氏体不锈钢。其化学成分、金相组织、物理性能和力学性能等方面有较大差异[1]，焊接时容易出现以下问题：

（1）焊缝金属受到Q345R钢的稀释，在紧靠Q345R钢一侧熔合线的焊缝金属中，会形成和焊缝金属内部成分不同的过渡层。离熔合线越近，Q345R钢的稀释作用越强烈，过渡层中含铬、镍量也越少，此时过渡层可能会出现高硬度的马氏体或奥氏体+马氏体区组织。

（2）在焊接高温下，Q345R钢与S31603钢界面附近发生反应扩散而使碳迁移，在Q345R钢侧形成脱碳层而软化，在S31603钢侧形成增碳层而硬化。

（3）由于两种钢的线膨胀系数不同，焊接产生的残余应力无法通过热处理方式去除，使焊缝和熔合线附近产生附加拉应力，而Q345R钢的塑韧性比奥氏体钢S31603差，所以在Q345R钢侧易产生开裂。

2 焊接工艺分析

2.1 焊接方法

Q345R与S31603异种钢焊接时应选用熔合比小、稀释率低的焊接方法。表1为各种焊接方法堆焊时得到的熔合比范围。由表1可知，焊条电弧焊的熔合比较低，变化范围较小，因而焊缝成分比较稳定，这也是目前异种钢焊接最常用的焊接方法。

表1 几种焊接方法的熔合比范围[1]

2.2 焊接坡口

因为弯曲试样在Q345R侧发生了开裂，为了防止因应力过高而在熔化区出现开裂情况，在Q345R侧堆焊过渡层，减小淬硬倾向[2]，然后再与S31603进行对接。

2.3 焊接材料

Q345R堆焊时，选择含镍量大于62%的镍基合金焊条ENiCrFe-2，利用镍的石墨化作用能阻碍形成碳化物，减小过渡层，防止产生高硬度的马氏体，且抑制Q345R中碳的迁移[1]。堆焊完成后进行消除应力热处理，然后与S31603焊接，也选择焊条ENiCrFe-2。ENiCrFe-2的线胀系数接近Q345R，这样焊接应力将集中在S31603一侧，而奥氏体钢S31603的塑性变形能力强，能承受较大的应力。

2.4 焊接热输入

由于镍基合金的熔深浅及液态焊缝金属流动性差，如果通过加大焊接电流提高焊缝金属流动性，可能会增大热裂纹倾向、产生气孔、接头过热、晶粒长大、过度偏析、碳化物沉淀等。因此镍基合金焊条焊接时宜采用较小的热输入，缩短焊缝熔融金属存在时间，防止产生热裂纹和脆硬组织，改善熔合质量[3]。

2.5 预热和层间温度

为了提高焊缝金属和珠光体钢的熔合，可以增加液态焊缝金属流动性和适当预热，但温度又不能太高，过高的预热温度和层间温度会增大熔合比及母材过热，晶粒粗大或产生脆硬组织等，堆焊时预热温度为60℃，层间温度60℃～80℃。

3 焊接模拟件（MOCK-UP）

根据再生塔产品的特性模拟生产过程，制作模拟件，然后进行拉伸、弯曲试验和宏观金相检验。

3.1 焊前准备

（1）试板和坡口。

Q345R：500mm×150 mm×12 mm，S31603：500 mm×150 mm×16 mm，采用机加工方法刨坡口，坡口见图2a。

图2 坡口示意

（2）焊接材料。

按照焊材使用说明书上要求，ENiCrFe-2焊条烘干250℃，保温2 h。

（3）卷圆及坡口清理。

按照产品制造流程，Q345R钢板进行卷圆以后再进行焊接，所以在实验过程中将试板在卷板机上按再生塔直径1800 mm将试板卷成圆弧状。然后将坡口及两侧约30 mm范围内的水、油污和铁锈等清理干净，检查坡口及两侧有无裂纹。

3.2 焊接

（1）Q345侧堆焊。将Q345试板宽度方向垂直放置，堆焊前将Q345板材坡口处预热到60℃，用φ3.2的ENiCrFe-2焊条直流反接进行堆焊，道间温度80℃。焊接工艺参数见表2，焊接时尽量不要摆动，即使摆动，摆动幅度也不要超过1 mm。采用不锈钢砂轮打磨弧坑，去除可能产生的弧坑裂纹；每道焊完后用不锈钢砂轮清理干净，防止产生夹渣；直至堆焊层厚度尺寸满足要求，如图2b所示。

（2）Q345堆焊层加工。产品卷圆堆焊后，无法采用坡口机加工坡口，一般采用打磨。将堆焊好的试板打磨出单边V型坡口，不允许在一个地方长时间的打磨，应采用分段间隔打磨，防止镍基合金因为受热而出现裂纹；同时要检查有没有厚度不够和其他缺陷存在，打磨后坡口如图2c所示。坡口加工好后按照JB/T4730-2005对试板堆焊部位进行射线检测（RT）和渗透检测（PT），结果为 I级。

（3）焊后热处理。堆焊后的试板进行焊后热处理，温度按照Q345R要求为620℃±20℃，保温1 h。然后再对试板堆焊部位进行PT、RT，结果为I级。

（4）堆焊后Q345和S31603对接焊接。

将堆焊及热处理后的Q345和坡口侧削边处理的S31603组对，装配尺寸和焊接顺序如图3所示，焊接时控制层间温度为80℃，焊道间清理干净，防止夹渣，去除氧化皮等杂质。收弧打磨，去除有可能产生的裂纹。焊接工艺参数见表2。