Q345R+NCu30复合钢板焊接技术要点

材料的强度，因此，镍复合板以其价格优势和良好的综合性能，在石油化工等领域的应用日益宽广。镍复合板焊接不仅仅是单一的镍合金焊接或基层的焊接，而是混合的焊接技术，有其特点和难点。通过我公司制造的 Q345R+NCu30复合板设备（厚度3+16mm），进行焊接技术分析。

1 Q345R+NCu30复合板的焊接特点

Q345R+NCu30复合板的强度主要由基层Q345R保证，耐蚀性能由复层NCu30保证，为保证焊后复合板能保有其原有的综合性能，需对基层和覆层分别焊接。由于钢和镍的焊接性能不同，热膨胀系数相差较大，焊接过程中出现较大的体积应力，导致焊接过程中极易产生热裂纹等缺陷。且NCu30中Cu含量较高，极易渗入钢中，造成铜脆。为保证焊接工艺性，增加过渡层焊缝是必要的。因此确保Q345R+NCu30复合板焊接过程中不产生裂纹，且复层保有较好的耐腐蚀性能是一项焊接技术难点。

2 Q345R+NCu30镍复合板的工艺评定

2.1 焊接方法的选择

Q345R+NCu30复合板需对基层、复层分别进行焊接，基层和复层可采用各自适应的焊接方法。基层碳钢Q345R焊接常用的方法有埋弧焊、手工焊条电弧焊、氩弧焊等;复层NCu30主要采用手工焊条电弧焊、氩弧焊。考虑本单位制造的设备直径、长度、厚度不大，从提高生产效率、经济性、质量稳定综合考虑，主体A、B类焊缝基层、过渡层、复层均采用手工焊条电弧焊。NCu30材料化学成分见表1，Q345R材料化学成分见表2。

2.2 焊接材料的选择

Q345R+NCu30復合板的焊接材料按照NB/T47015-2011《压力容器焊接规程》正文参考选用。Q345R基层采用J507（E5015）。为保证焊接工艺性，过渡层焊缝选用焊材尤为重要，需考虑以下几点：

（1）过渡层需与基层Q345R、复层NCu30有较好的熔合性。

（2）对复层焊缝的金属的稀释率。

（3）控制铜渗入基层。

（4）在焊接过程中，镍、铜元素有烧损，部分复层合金元素熔入基层被稀释，会造成焊接接头塑韧性下降，耐腐蚀性达不到要求。

（5）Ni与γ-Fe可无限固溶。

因此，为补偿合金元素的烧损和保证焊接工艺性，过渡层选用镍含量较高的Ni-Cr-Fe系列焊条Ni307B（ENi6182）。复层焊接时为达到耐蚀性，选用与母材合金系相同的镍铜焊条Ni202（ENi4060）。

此外，镍铜合金焊接时，硫、磷共晶物熔点很低，镍-硫645℃，镍-磷880℃，极易在晶界区残留液态薄膜共晶物，在焊缝冷却收缩应力作用下产生热裂纹。需严格控制焊接过渡层、复层的焊材S≤0.015，P≤0.03。同时选含碳量较低焊接材料，进而保证焊接接头的力学性能和耐腐蚀性能。焊条J507的化学成分见表3，焊条Ni307B、Ni202的化学成分见表4。

2.3 坡口的设计

Q345R+NCu30镍复合钢板焊接接头的坡口选择原则为：（1）保证焊透;（2）操作过程易控制;（3）复层的化学成分达到耐蚀性;（4）节约镍基焊材和减少焊接缺陷。

依据本公司焊接不锈钢复合板、镍基合金多年的实践经验，同时考虑坡口加工条件，采用图1所示坡口，利用过渡层处开台阶坡口，更容易控制复层化学成分和厚度。且有以下优点：

（1）在组对时，以坡口复层为基准对齐，可保证设备内部表面齐平，设备在使用过程中，减少焊缝处残留介质，减小产生点蚀概率。

（2）基层界面明显分离复层，焊接可控制复层金属不被熔入基层，减少Cu元素进入基层，减少合金元素烧损和被稀释。且易控制基层的厚度。

（3）加工坡口过程中，去除复层与基层交界处爆炸焊连接焊缝（物理焊接），在基层深度方向增加去除0.5-1mm厚度，为焊接过渡层焊缝提供了操作条件（交界处为异种材料焊接），且易控制过渡层焊缝厚度不超过3mm，保证了复层的有效厚度，提高耐蚀性能。

（4）为防止复层焊接时产生夹渣或未熔合，台阶处加工出45°坡口。

（5）可对基层焊接接头进行X射线检测，产生内部缺陷进行返修时对复层影响较小。

2.4 焊接工艺参数

基层焊缝：打底及填充采用焊条电弧焊，选用J507焊条。填充焊高度距离复合层1.5-2.5mm，坡口侧基层焊接完成后背面进行碳弧气刨清根，并仔细打磨干净，焊接背面焊缝。基层焊接完成后，采用Ni307Bφ3.2mm焊接过渡层（厚度不超过3mm），距离基层0.5-1.5mm，基层与过渡层完全熔合，减少裂纹等缺陷的产生。最后采用Ni202φ3.2mm进行覆层的盖面焊接，保证焊接的覆层与母材的复层有相近的组织和成分（如图2）。

组对时以复合层NCu30为基准面，错边量控制在1mm 以下;组对间隙控制在 2±1mm，焊前清理去除坡口及其两侧各20mm范围内油污等杂质。焊后进行消除应力热处理，热处理温度610℃，保温65min。焊接工艺参数见表5。

2.5 焊接工艺评定结果

（1）对焊接试板基层进行100%RT检测，按NB/T 4701

3.2-2015《承压设备无损检测 第2部分：射线检测》评定，Ⅱ级合格。过渡层、复层焊后进行100%PT检测，按NB/T 47013.5-2015 《承压设备无损检测 第5部分：渗透检测》评定，Ⅰ级合格。

（2）力学性能试验结果见表6。

（3）晶间腐蚀

由于镍和铜可无限固溶，不存在晶间腐蚀现象。但焊接过渡层时采用了Ni-Cr-Fe焊接材料，增加了Cr元素，补充进行晶间腐蚀试验。

将Q345R+NCu30复合板焊接接头的基层全部刨除，保留复层，按GB/T 15260-2016《合金和合金的腐蚀 镍合金晶间腐蚀试验方法》方法B（铜-硫酸铜-16%硫酸试验）进行晶间腐蚀试验，尺寸100×20×2.5mm，弯曲试样在体式显微镜下观察未发现晶间腐蚀裂纹，复合板复层腐蚀性达到要求。

本次焊接工艺评定试验，力学性能、晶间腐蚀符合标准要求，评定合格。

3 Q345R+NCu30产品焊接工艺要点

3.1 组对质量的控制

对Q345R+NCu30复合板焊接控制错边量比普通低合金钢、镍合金钢更为严格。严格控制错边量是防止产生裂纹、保证强度、耐蚀性的关键之一。

（1）设备筒节按展开长度进行计算，以实际到货封头外径测量长度修正后进行落料。

（2）组对时以复层为基准面，组对错边量小于焊后允许错边量的一半，点焊在基层上且牢固可靠，减小施焊中产生错边。

（3）保证封头与筒节的圆度。

3.2 施焊焊工

根据NB/T47015-2011《压力容器焊接规程》和TSG Z6002-2010《特种设备焊接操作人员考核细则》要求，承压设备镍复合板焊接须取得Ⅱ类钢板材对接资格和Ⅱ类钢堆焊镍资格，焊接位置根据设备制造情况确定。由有效合格项目的焊工担任焊接镍复合板的工作。

3.3 焊接要求

为保证Q345R+NCu30复合板焊接接头达到或接近于母材的相同基本性能，应注意以下几点：

（1）焊前去除焊接接头表面及周边20mm范围内油污等杂质，可采用丙酮或酒精进行清洗。

（2）严格执行工艺和标准施焊，严格控制焊接基层、过渡层的厚度，防止基层焊条、过渡层焊条焊在复层面上。

（3）为防止产生再热裂纹，严格按焊接基层、过渡层、复层顺序进行，焊接过渡层、复层道间温度控制≤150℃。

（4）镍复合板坡口100mm范围内涂刷防飞溅涂料，严格控制复层NCu30表面机械损伤和飞溅物。

（5）过渡层、复层焊条采用小直径焊条，减小复层的稀释率。直流反接，多层多道快速不摆动焊，降低接头的线能量，保证焊缝金属具有良好的力学性能和耐腐蚀性。

（6）过渡层、复层焊接前重新清理干净坡口及边缘。

（7）由熟练焊工进行施焊，提高Q345R+NCu30复合板焊接的一次合格率，减少返修次数。由于Q345R+NCu30复合板焊接接头的组织和性能十分不均匀，焊缝返修时经常产生热裂纹。

3.4 预热和热处理

Q345R+NCu30复合板焊前预热和焊后热处理按NB/T47015-2011《压力容器焊接規程》进行。

（1）焊前预热

当复合板基层需要预热时，应以复合钢的总厚度作为确定预热温度的厚度参数。当基层需要进行预热时，施焊过渡层的焊缝也必须预热且不宜超过150℃。

（2）焊后热处理

Q345R+NCu30复合板根据图纸技术要求进行焊后热处理。镍基合金一般不进行焊后消除应力热处理。

3.5 焊接检验

镍复合板需对基层、过渡层、复层分别进行检验。基层可采用射线RT检测，为保证整个焊接接头的质量，应在焊接过渡层、复层前进行。如发现超标缺陷，应立即进行返修。返修完毕后需重新进行射线检测，返修合格后将复层侧的基层焊缝表面打磨平整。过渡层焊前与焊后一般需对焊接接头进行渗透检测，确保无影响质量的缺陷。复层焊接完毕后，还应进行渗透检测。

4 结束语

（1）镍复合钢板的焊接宜采用台阶形坡口形式，便于焊工操作，易于控制焊缝尺寸，保证焊接质量。

（2）过渡层采用Ni307B，复层采用Ni202的焊接工艺，圆满完成了Q345R+NCu30复合板的焊接，且保证了焊接质量。验证了该焊接工艺是可行的，为该种复合板材质提供了宝贵的经验。

（3）为堆焊NCu30等镍-铜合金选用焊材提供了焊接经验。

参考文献：

[1]GB 150-2011.压力容器[S].

[2]NB/T 47014-2011.承压设备焊接工艺评定[S].2011.

[3]NB/T 47015-2011.压力容器焊接规程[S].2011.

[4]JB/T 4756-2006.镍及镍合金制压力容器[S].2006.

[5]张文钺.焊接冶金学[M].北京：机械工业出版社，2010.

[6]陈祝年.焊接工程师手册[M].2版.北京：机械工业出版社，2009.

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