15CrMoR(H)+SUS321不锈复合钢板的焊接

赤平

某石化公司催化干气吸附氢联合装置的一台核心设备，主体材质为15CrMoR(H)+SUS321，其中基层15CrMoR(H)是在15CrMoR钢板基础上研制开发的临氢设备用耐热钢。该材料焊接冷裂纹敏感性较高，焊接过程易产生冷裂纹，因此必须对基层和堆焊层的焊接选择合适的焊材，制定合理的焊接工艺，才能成功进行15CrMoR(H)+SUS321复合材料的焊接。

15CrMoR(H)+SUS321不锈复合钢板由化学成分和物理性能都不同的异种钢板复合而成。复层钢和基层钢相比较，复层钢有较高的Cr、Ni含量，且其含C量低（ω（C）≤0.10%），化学成分见表1。
表1 15CrMoR(H)与SUS321的化学成分（质量分数，%）

材料	C	Si	Mn	S	P	Cr
SUS321	0.06	0.42	1.13	0.010	0.030	17.423
15CrMoR(H)	0.13	0.28	0.56	0.002	0.008	1.380
材料	Ni	Mo	Al	Cu	Ti	Fe
SUS321	9.191	0.04	-	0.09	0.122	余量
15CrMoR(H)	0.120	0.56	0.024	0.08	0.003	余量

基层钢15CrMoR(H)是珠光体耐热钢，其焊接性能较差，在冷却速度较大的条件下，有淬硬倾向。热影响区是焊接接头的薄弱环节，焊接时由于加热极不均匀，使热影响区不断改变温度、应力和应变状态。焊接热过程使热影响区的晶粒变粗，组织不均匀，导致性能恶化。热影响区的关键部位是接近熔合线的粗晶区，该区晶粒粗大，性能最易变坏，是产生各种焊接裂纹的最敏感区域。
在焊缝堆焊层焊接中，直接用E347-16（A132）焊条施焊时，会熔化部分基层，使堆焊层焊缝的合金元素稀释，导致此处焊缝金属的碳含量增高，降低了耐腐蚀性能，同时此处焊缝还会形成淬硬的马氏体组织，易产生裂纹。因此，在基层和复层交界面上增加一层过渡层，该层选用高CrNi型焊条E309L-16（A062），其焊缝金属被基层稀释后，合金成分会降低，但仍可保证结合区具有良好的塑性。
复层钢SUS321和基层钢15CrMoR(H)的热导率和线膨胀系数存在很大差异，材料在加热和冷却时会产生很大的应力。同时，在施焊过程中，由于加热和冷却不均匀，在基层的厚度方向会产生很大的残余应力，这种残余应力在复层不锈钢表面形成拉伸应力，这两种应力的叠加是不锈复合钢板焊接产生裂纹的主要原因。
    可见，对于15CrMoR(H)+SUS321不锈复合钢板的焊接，为保证焊接质量，必须选择适当的焊接材料、坡口型式、合理的焊接、热处理工艺。采取相应措施后，所有焊缝的一次探伤合格率超过98%，一次返修合格率为100%，符合设计要求，为今后焊接此类复合板积累了宝贵经验。