S30408+Q235B不锈钢复合板覆层缺陷手弧焊修补性能分析

S30408+Q235B不锈钢复合板覆层缺陷手弧焊修补性能分析
作者：刘中肖田保生
来源：《城市建设理论研究》2013年第24期
摘要：不锈钢复合板具有较高的结构强度和具有较好的耐蚀性，并大幅度降低工程造价。

但因现场施工工艺问题，会造成覆层破坏形成缺陷，如吊耳焊接，为保证设备安全运行，现以S30408+Q235B复合板覆层缺陷手弧焊修补性能为例进行分析。

关键词：不锈钢复合钢板；吊耳焊接；覆层缺陷；手弧焊；层间温度
中图分类号：TF764+.1 文献标识码：A 文章编号：
一、情况简介
由于现场施工工艺问题，施工单位常会在不锈钢复合板设备加工时在内部覆层位置焊接吊耳方便吊装或焊接支撑件方便成型。

焊接吊耳或支撑件前为保证必要的安全系数，会将该位置覆层去除，使吊耳或支撑件焊接在基层碳钢上，但这样也是设备覆层表面出现缺陷，影响材料原有性能。

而GB/T8165《不锈钢复合钢板和钢带》、NB/T47002.1《压力容器用爆炸焊接复合钢板不锈钢-钢复合板》、YB/T4282《压力容器用热轧不锈钢复合钢板》明确指出允许对存在复合缺陷复合板的覆层进行熔焊修补，同样该工艺适用于施工过程中形成的覆层缺陷熔焊修补。

下面我们以某施工现场对S30408+Q235B材质复合板覆层缺陷的手弧焊修补工艺进行分析。

该施工现场在对施工过程中产生的覆层缺陷进行熔焊修补时，采用的是直径φ4mm的
E308-16奥氏体不锈钢焊条，由于施工现场修补用焊接电源没有电流、电压等关键参数显示，也没有用于控制层间温度的测温仪器，因而修补时的焊接工艺参数控制没有保障。

为了检验该施工现场现行修补工艺是否合适，对现场工人按照习惯操作工艺修补的S30408+Q235B复合板进行了取样分析，并对焊接工艺进行了优化。

二、现场修补的S30408+Q235B复合板取样分析情况
2.1 化学成分检验
表1 某施工现场修补的S30408+Q235B复合板化学成分检验结果（%）
化学成分分析结果表明：采用直径φ4mm的TS-308焊条修补的复合板，焊缝成分满足
S30408不锈钢国家标准要求，但Cr、Ni的含量偏低，都接近了标准要求的下限。

2.2 力学性能检验
表2 某施工现场修补的S30408+Q235B复合板力学性能检验结果
图1 施工现场修补的S30408+Q235B复合板接头力学检验照片
力学性能检验结果表明：采用直径φ4mm的TS-308焊条修补的复合板焊接接头力学性能不太理想，接头强度都够，但断在焊缝上的两个试样的延伸率太低，这两个试样的断口照片（图1B）显示脆断迹象明显，特别是覆层部分断口特别齐平。

而断在母材上两个试样也都出现了双颈缩现象（图1A下方两个试样）。

接头弯曲采用了48mm和24mm两种压头直径进行试验，当压头直径为48mm时，4个弯曲样中仅有1个没有开裂，对未开裂的此试样又进行了压头直径为24mm的弯曲试验，结果开裂，结果照片见图1C。

2.3 接头硬度测试
图2 施工现场修补的S30408+Q235B复合板接头硬度测试结果
接头硬度测试结果表明：采用直径φ4mm的TS-308焊条修补的复合板焊接接头的焊缝硬度偏高，特别是距Q235B基层/焊缝熔合线0.5mm范围内的焊缝，HV100g硬度最高达435。

2.4 试验结果分析
2.4.1焊接接头伸长率和弯曲不合的主要原因分析
将施工现场修补的S30408+Q235B复合板的Q235B基层（m点）、TS-308焊条融敷金属（a点）、焊缝（f点）标到舍夫勒焊缝组织图中，如图2。

舍夫勒焊缝组织图专门用于预测不锈钢手弧焊时的焊缝组织组成，由图2可见焊缝（f点）位于A+M+F区域，图3为施工现场修补的S30408+Q235B复合板接头焊缝典型组织照片（A+M+F），与图2推测一致，因此M 马氏体脆化的有害作用应是导致施工现场修补的S30408 +Q235B复合板焊接接头伸长率和弯曲不合的主要原因。

另外从图2中点m、点a、点f的位置可以估算焊缝的熔合比
af/am≈12%，即整个焊缝中约有12%的金属来自基层Q235B，这个熔合比值还是比较合理的，也即施工现场的现有焊接电流、焊接电压、焊接速度不是造成焊缝形成M马氏体的主要原因，形成M马氏体的主要原因是选择的 TS-308焊条的Cr、Ni含量过低所致，解决的根本办法是选择Cr、Ni含量高一个级别的309焊条。

图2 舍夫勒焊缝组织图
图3 施工现场修补的S30408+Q235B复合板接头焊缝典型组织（A+M+F）
2.4.2 接头焊缝中的铁素体含量
奥氏体不锈钢具有较高的热裂纹敏感性，研究与实践结果表明，当奥氏体的室温组织中含有少量的δ铁素体（3%-12%）时，其热裂敏感性显著降低。

图2中焊缝成分f点理论上应含有5%-10%的δ铁素体，但实际测试δ铁素体含量却很低（见表3），平均含量仅2.16%。

为了增加焊缝中δ铁素体含量，焊接时应尽量采用小的焊接线能量，并保证层间温度不高于100℃。

表3 施工现场修补的S30408+Q235B复合板接头焊缝δ铁素体含量（%）
三、S30408+Q235B复合钢板覆层缺陷的手弧焊工艺优化
为了提高S30408+Q235B复合钢板覆层缺陷在手弧焊修复后接头的良好伸长率、弯曲性能，且保证焊缝中含有3%以上的δ铁素体，我们主要采取了以下措施：
采用φ3.2mm的TS-309焊条进行过渡层的焊接。

严格控制焊接规范，将焊接电流控制在焊条厂家推荐范围的中小水平，如φ3.2mm的TS-309焊条，焊接电流控制在100A左右；如φ4.0mm的TS-308焊条，焊接电流控制在120A左右。

严格控制层间温度，保证层间温度不高于100℃。

焊条用前应在350℃烘焙1小时，随用随取。

3.1实验室修补的S30408+Q235B复合板接头化学成分检验结果（表4）
表4实验室修补的S30408+Q235B复合板化学成分检验结果（%）
3.2 实验室S30408+Q235B复合板接头力学性能检验结果（表5）
表5 实验室修补的S30408+Q235B复合板接头力学性能检验结果
图1实验室修补的S30408+Q235B复合板接头力学检验照片
3.3 实验室修补的S30408+Q235B复合板接头硬度测试
图4 实验室修补的S30408+Q235B复合板接头硬度测试结果
3.4实验室修补的S30408+Q235B复合板接头焊缝中的铁素体含量测试
表6 实验室修补的S30408+Q235B复合板接头焊缝δ铁素体含量（%）
3.5 实验室优化工艺后的实验结果分析
表4、表5表明采取优化后的焊接工艺，焊接接头的成分和性能都满足S30408不锈钢国家标准、行业标准要求。

表6表明采取优化后的焊接工艺，焊接接头焊缝中δ铁素体含量＞3%，因此焊缝抗热裂性能良好。

图4表明采取优化后的焊接工艺，焊接接头中焊缝的硬度大幅降低，最高仅HV100g 220。

图5为Q235B基层（m点）、TS-308焊条融敷金属（a点）、TS-309焊条融敷金属（b点）、过渡层焊缝（f1点）、覆层焊缝（f2点）在舍夫勒组织图上的分布，可见当采用TS-309焊条进行过渡层的焊接后，再采用TS-308焊条进行覆层焊缝的焊接，可以确保所有焊缝金属都位于A+F区域，避免了脆性M马氏体的出现。

图6为优化工艺后焊缝金属典型组织照片。

图5 舍夫勒焊缝组织图
图6 优化工艺后修补的S30408+Q235B复合板接头焊缝典型组织（A+F）
四、措施与建议
在修补S30408+Q235B复合板时，仅采用E308-16焊条进行焊接，除非将熔合比控制在6%以下，否则不可能避免焊缝中脆性M马氏体组织的出现，而将熔合比控制在6%以下在工艺上很难实现。

因此采用E309-16焊条进行过渡层焊接是最为有效、可行的措施。

具体措施如下：
（1）采用φ3.2mm的E309-16焊条进行过渡层的焊接，覆层焊接采用φ4.0mm的E308-16焊条；
（2）严格控制焊接规范，将焊接电流控制在焊条厂家推荐范围的中等偏下水平，如
φ3.2mm的TS-309焊条，焊接电流控制在100A左右；如φ4.0mm的TS-308焊条，焊接电流控制在120A左右。

（3）修复缺陷前的清理工序应注意将基层金属也去掉1mm～2mm，保证过渡层的厚度不小于2mm。

（4）严格控制层间温度，保证层间温度不高于100℃。

焊条用前应在350℃烘焙1小时，随用随取。

（5）修复后的接头应进行外观检验和无损检验。

参考文献：
［1］GB/T13148-2008《不锈钢复合板的焊接技术要求》
［2］HG/T20584-2011《钢制化工容器制造技术要求》.
［3］NB/T 47003.1-2009《钢制焊接常压容器》
［4］SH/T 3526-2004《石油化工异种钢焊接规程》
［5］SH/T 3527-2009《石油化工不锈钢复合钢焊接规程》。