复合层裂纹的补焊技术问题赵俊桐引言PTA车间存在大量复合材料设备，即便焊道探伤合格，各种焊接缺陷也是存在的。不锈钢复合钢板焊接过程中产生的裂纹一般在过渡层，因为焊接过渡层时，过渡层与基层的碳和复合层的合金互相渗透，产生了马氏体组织和A+M的混合组织，在熔合区形成脆硬带，产生裂纹缺陷，并在复合层析出Cr的碳化物，形成贫Cr区，引发脆断。施焊人员严格按工艺施焊，焊接中裂纹倾向并不大，但返修过程中，经过多次热循环作用会使焊缝内产生很大的应力，从而使微裂纹扩展成宏观裂纹。而且，设备使用过程由于化学腐蚀和应力腐蚀作用，也会产生疲劳和裂纹扩展，甚至发展成泄漏。此外，在基层返修用碳弧气刨清除缺陷达到过渡层；在复合层用等离子切割时，也会产生稀释作用；如果坡口不打磨干净就进行焊接作业，焊后及易产生冷裂纹。这些缺陷存在于过渡层焊缝中，返修时应从复层侧返修。基层缺陷从基层返修，不能清根到过渡层触及融合区。在维修作业中有效的消除各类焊接缺陷，同时要避免错误的操作，引发缺陷扩大，除了严格执行焊接工艺卡和施工方案，还有很多操作技术和技巧。PTA车间还存在大量搅拌器，维修时还要控制焊接应力、焊接温度，避免焊接变形、过热，造成贴补处或复合层起鼓、分层等质量问题，甚至造成磨损泄漏。复合层设备，一般由基层保证设备强度，复合层保证抗腐蚀性。关键问题是过渡层的焊接质量控制。过渡层厚度适宜，隔离良好，两侧融合硬化带薄，基层和复合层不发生互渗，是产品合格的基础。一、 浅表裂纹维修浅表裂纹的维修以抛光打磨为主，检修前查阅设备档案，了解图纸提供的该区域材料设计壁厚、名义厚度、允许最小剩余壁厚等要求。对基层表面裂纹一律打磨消除，如裂纹消除后压力容器的实际壁厚不小于设计厚度、磨除深度不大于名义厚度的7%且不超过3mm，可不补焊。至此维修并未结束，关键是为减少应力集中，还要继续磨削裂纹两侧及两端，打磨光滑并圆滑过渡，侧面斜度不应大于1:4，即如果裂纹深1mm，打磨宽度不能小于10mm，实际作业1-3mm裂纹打磨宽度在30-40mm宽。对于复合层浅表裂纹，经过抛光打磨、着色检查，当裂纹消除后用塞尺检查磨除深度远小于复合层厚度的10%，不进行补焊。经过上述打磨抛光维修，普通浅表裂纹基本不会继续发展。下一次检修中如再产生裂纹，就必须由甲方请专业单位做金相检查和能谱分析材质变化，协商维修方案。二、 穿透裂纹补漏当腐蚀缺陷渗入基层时，腐蚀发展快速，一般会很快发展成穿透裂纹，进而发生泄漏，冲蚀处为内小外大的喇叭形。对于复合板材料穿透补焊时，我先按照上图打磨检查裂纹，这样打磨坡口的方式可以去除补焊处过渡层缺陷。在过渡层或是多次返修区域或其他拘束应力较大的部位我尽量使用角向磨光机等机械方法清除焊接缺陷，以减少坡口边缘的渗碳倾向；不得不采用等离子切割加工的，必须对坡口表面进行打磨，以避免坡口表面在等离子切割时发生金属稀释现象，对焊接接头产生进一步影响。为了防止引弧、收弧处的缺陷叠加，返修处的坡口长度都大于100mm，并且两端应有一定坡度，对过渡层清除缺陷后，用着色探伤检查，以确保裂纹全部清除后再进行返修。如果泄漏即停车检修，未发生冲腐蚀，也可按照下图右侧坡口形式打磨检查去除裂纹。左图从容器外先补焊基层，右图从容器内补焊基层，必须严格自检基层焊道不要超过焊道台阶，如果超出必须打磨去除，这样的坡口结构也便于打磨清根。因为，基层焊缝偏高，则过渡层焊缝厚度会减小，焊接复层时由于焊接电流比过渡层大而熔透过渡层，会造成复层金属熔入基层焊缝，这些都会造成更复杂成分和组织的焊缝，易形成裂纹。在返修时先焊接基层，再清根然后焊接过渡层，焊前将坡口内及其附近2030mm范围内用丙酮或酒精等清洗干净，焊缝两侧100mm范围内涂上防飞溅涂层；焊接时，采用多层多道焊，焊条不摆动，控制好线能量，并严格控制层间温度，一般小于60，以便减少焊接应力，防止返修裂纹产生。注意焊接电流控制，控制基层过渡层、过渡层和复合层融合比，以防止基层对焊缝金属的稀释。在焊基层前仅适当预热基层即可（100150），使用气焊清除坡口内的水分和杂质；焊接过程中连续施焊，保证层间温度；焊后对焊缝区加热，加热范围不可过大，一般大于钢板厚度的两倍即可，温度控制在250，保温3040分钟，以防基层和复层结合部位开裂。焊接基层过程，复层边缘远离焊缝中心，在焊接热循环过程中，最高峰值温度大大降低，避免了因基层焊接时反复受热膨胀引起复层张口，避免出现夹渣缺陷。在基层和复层每焊完一层后应立即锤击，锤击范围在焊缝返修部位两侧的基层外侧的母材上，宽度范围约为5060mm，以细化晶粒，消除和减少焊接裂纹。三、 复合板过渡层裂纹修补如下图焊缝各层剖面位置，我的经验是不论裂纹深度在过渡层什么深度，都将全部过渡层去除，因为过渡层为异种钢焊接区域，成形后组织成分复杂，必须全部去除，如果是原焊缝处，还要多去除1-1.5mm，将焊接融合区亦去除干净。这样处理后再按照上面穿透补漏的方法进行过渡层和复合层焊接。16MnR/316L复合板补漏，各层焊道降温时要反复锤击，层次焊条牌号规格（mm）电流（A）电压（V）线能量（KJ/cm）焊接速度（mm/min）层间温度（）烘干温度/时间复合层A0224.012013012138130-15060150/1H过渡层A0423.29010012137130-15060150/1H基层J5074.013017012131012100-15090350/1H焊缝位置1基层焊缝 2过渡层焊缝 3复层焊缝复层基层不锈钢复合钢板的焊接对过渡层覆盖范围和过渡层的厚度均有一定要求。如图中所示，一般条件下过渡层焊缝在复层侧厚度a=0.5-1.5 mm，在基层侧厚度b=1.5-2.5mm。过渡层焊缝金属必须完全覆盖基层金属。过渡层的焊接属于异种材料焊接。它是保证不锈钢复合板焊接质量的关键，也是不锈钢复合板焊接难度较大的区域。焊接过渡层时，要在保证熔合良好的情况下尽量减少基层金属的熔入量，为此应采用较小直径的焊条或焊丝及较小的焊接线能量，多道不摆动快速焊，减少基层金属的熔入量，减小焊缝金属的稀释率。过渡层焊缝应同时熔合基层焊缝、基层母材和复层母材，且必须完全焊满基层焊缝和基层母材，不能有裸露的基层焊缝和基层母材直接与复合层相焊。施焊时，严格遵守适中焊接电流，在熔合良好的情况下，焊接速度应尽量快些，焊条不摆动，电弧不宜太长或太短，否则将影响电弧的搅拌力，影响渣与气体上浮，易产生夹渣、气孔等缺陷，焊道距复层表面1.52mm，也用手砂轮磨平。过渡层一层三排，排焊顺序焊接复层时，基层中的碳进入复层中，使复层的抗腐蚀性能降低。基层焊接时易于熔化不锈钢复层，使得合金元素渗入而导致碳钢基层焊缝金属严重硬化和脆化，使过渡层硬化带的厚度可达2.5mm，该硬化带对冷裂纹极为敏感并易产生裂纹，降低基层的强度。由于不锈钢复层具有低热导率（仅为基层的1/2）和较大的线膨胀系数（为基层的1.3倍），因而焊接过渡层时会产生较大的焊接变形应力，导致焊接裂纹的产生。因此必须强调过渡层作用，作业中严格控制过渡层焊接能量，必须采用排焊，加快焊接速度，焊条不要横向摆动，减小熔池深度即硬化带宽度，同时有条件情况还可以使用氩气进行过渡层焊道降温和进行防氧化保护。复合层焊接前，必须将过渡层焊缝表面和坡口边缘清理干净，注意使用相同材质的钢丝刷或磨光机进行清理。复合层焊接时，首层必须采用不摆动快速排焊，并采用较小的焊接线能量。必须严格控制复层焊接时的电流，防止焊接复层时熔透过渡层焊缝。复层的焊接应不少于2层，有利于获得与母材相同的性能。时间允许，我会尽量将焊道余高去除，使焊道表面平滑，提高焊道抗疲劳腐蚀和应力腐蚀能力。复合层排焊顺序简图，实际至少要焊两层目前焊接接头型式趋于与母材齐平或稍凹，所以二层的焊接余高是要打磨掉的。四、 T型焊道裂纹修补在施工中，如果将纵缝过渡层和复层一次焊满焊接环缝时，将纵缝端部的过渡层焊缝熔入了环向的基层焊缝，由于T型焊缝处焊接应力较其他处复杂，可能产生裂纹等缺陷。因此，在不锈钢复合钢的容器检修时，纵缝T型焊缝处的焊接应特别加以重视。补焊时，先进行纵缝焊接，但将过渡层和复层焊缝留30-50mm不焊，待环缝基层焊接后，再将纵缝两端焊接成型。焊缝返修比较复杂，从基层侧开始返修，当缺陷靠近复合界面时，在补焊过程中可能将过渡层焊缝金属熔入基层焊缝。从复层侧开始返修，复合界面难以分清，补焊基层时，可能熔入复层。这样的情况下，焊缝成分、组织不易控制。另外局部区域的补焊会有较大的拘束应力。在焊接时，采用大的线能量焊接，易产生较大的焊接应力，焊接线能量太大，会造成焊接热影响区扩大和使焊缝及焊接热影响区组织晶粒粗化，容易产生淬硬组织，降低焊缝韧性且不利于减少稀释率。由于奥氏体不锈钢的导热系数较低，热膨胀系数较大，焊接接头在冷却过程中，奥氏体钢比基层金属收缩变形大，而基层金属却强烈束缚着过渡层金属的收缩。在焊缝方向上，过渡层受拉应力作用。如果过渡层存在硬脆的马氏体组织，在热应力的作用下，很容易产生裂纹，马氏体组织越多，焊缝裂纹敏感性越强。在其它因素共同作用下，增大了开裂倾向。这些因素共同作用，使返修部位焊缝更易产生裂纹。焊接基层和过渡层时，同一条焊缝应尽可能一次连续焊完，如中断则必须进行消氢处理。将焊件加热到250350，保温26小时，目的是使焊缝中的扩散氢加速逸出，大大降低焊缝和热影响区中的氢含量，并确定焊缝表面无裂纹等缺陷后方可继续施焊。