S30403+Q345R轧制复合钢板冷旋压成形工艺性能试验研究

S30403+Q345R轧制复合钢板冷旋压成形工艺性能试验研
究
刘静
【摘要】冷旋压成形(二步法)技术已广泛地应用于压力容器封头的制造.复合钢板
封头的冷旋压成形不仅冷作硬化倾向大,而且易开裂或撕裂、产生剥离等.经过装备、技术提升和多年的经验积累,压力容器用爆炸焊接复合钢板封头的冷旋压成形技术
已经成熟.对采用真空焊接轧制复合工艺开发的基材为Q345R、覆材为S30403的轧制复合钢板进行冷旋压成形工艺性试验,验证了轧制复合钢板冷成形工艺性及其
对基材力学性能、工艺性能和覆材耐腐蚀性能的影响以及消除应力热处理对覆材耐腐蚀性能的影响.%The cold spinning (two-steps practice) for pressure vessel head had been widely used in pressure vessel manufacturing.Cold hardening,cracking or stripping and etc.in cold spinning of clad plate head shall be considered in spinning process.The cold spinning processing for explosion cladding plate is now a mature technique after accumulating of experience,and improving of equipment and technique for many years.The cold spinning experiment in this article is with vacuum rolled clad plate manufactured,base metal Q345R and clad metal S30403,to research the clad plate cold forming process and its effect on base metal mechanical properties and processing properties,and clad metal corrosion resistance properties,to test the effect of heat treatment on corrosion resistance properties of clad metal.
【期刊名称】《压力容器》
【年(卷),期】2017(034)005
【总页数】8页(P1-8)
【关键词】轧制复合钢板;冷旋压;封头;晶间腐蚀;剥离;成形后热处理;冷作硬化
【作者】刘静
【作者单位】大连金州重型机器集团有限公司,辽宁大连116100
【正文语种】中文
【中图分类】TH49;TG376.5;TQ050.6
凸形封头常用的成形方法主要有冲压及旋压两种[1-2]，需要时也可采用锻造及爆
炸成形等。

按冲压、旋压的温度不同，又可分为冷成形及热成形[1，3]。

封头的规格(直径、厚度)不同，其成形工艺也有所不同。

封头直径较小时，可用整张钢板成形，称为整板成形；封头直径较大时，需先接板后成形，称为先拼板后成形；对大型封头，由于成形设备能力(如压机立柱的间距、旋压机的规格等)或运输条件所限，需将封头分成顶圆板、瓣片，分别成形再组焊成封头或运抵使用现场后再组焊成封头，称为分瓣成形[1-2]。

封头冲压成形方法历史较长，技术成熟，优势明显。

冲压成形的主要缺点是模具加工难度大、造价高。

随着封头型式、直径以及投料厚度等的变化，模具将发生改变，致使模具数量增多，给模具的使用与管理带来诸多不便。

随着压力容器大型化的发展，需要大型压机才能完成封头的冲压成形。

封头旋压成形装置于20世纪80年代引入中国，旋压成形技术、方法应用较晚。

与冲压成形相比，封头旋压成形模具具有适用直径、投料厚度范围广，需要的模具数量少、成本较低等优点。

封头成形选择冲压还是旋压，是热成形还是冷成形，要根据封头直径、投料厚度及封头制造厂家的装备能力与制造工艺确定，同样规格的封头，不同的封头制造厂家选择的成形工艺不尽相同。

当不锈钢厚度大于12 mm时，根据不同的使用工况，压力容器壳体宜采用复合、松衬、套合及堆焊等结构形式[4-5]。

不锈钢复合钢板是一种由基材和覆材复合而成的双层金属钢板，其基材主要满足结构强度和刚度要求，覆材满足耐腐蚀、耐磨等特殊性能要求，是单一金属很难具备的，其综合使用性能良好[6] 。

复合钢板应保证基材的使用状态[7]，受钢材交货状态、容器或零部件制造过程等热处理的加热温度和冷却速率的影响，覆材的耐腐蚀能力有所降低[8]，或受温度和介质等作用，使用过程中覆层产生剥离等，需要时可以采用松衬、套合或堆焊结构形式。

复合钢板封头热成形及恢复性能热处理要兼顾基材与覆材的性能，如果工艺或加热等操作不当，会导致覆材耐晶间腐蚀性能和塑性降低，还可能产生脱碳、裂纹等，所以复合钢板封头热成形及恢复性能热处理需要采用适宜的热处理工艺和严格的操作[9-13] 。

因此，使用不锈钢复合钢板制造封头尽可能采用冷成形。

即便是冷成形的碳钢、低合金钢复合钢板封头，热处理时或需要进行恢复性能热处理时，同样难以避开敏化区，也应考虑敏化对覆材耐腐蚀性能等的影响[12，14] 。

虽然一定规格的封头冷旋压成形优势明显，但对于不锈钢复合钢板封头冷成形，尤其是翻边转角处，旋压会影响基材和覆材的结合质量；同时，基材和覆材的硬度会不同程度地增高，覆材金相组织也发生变化、耐腐蚀敏感性升高[15]，而且容易使覆材产生裂纹,尤其是拼板焊接接头处，开裂后较难修复。

冷旋压成形已普遍应用于压力容器用爆炸焊接复合钢板封头的制造。

目前，我国没有压力容器用轧制复合钢板专用钢标准。

对某公司采用真空焊接轧制复合工艺开发的基材为Q345R、覆材为S30403的轧制复合钢板进行冷旋压成形工艺性试验，验证轧制复合钢板的冷成形工艺性及其对基材力学性能、工艺性能和覆材耐腐蚀性
能的影响，并验证热处理对覆材耐腐蚀性能的影响。

为了比较全面地验证轧制复合钢板冷旋压成形工艺性能，采用先拼板后整体冷旋压成形的方式制作试验封头，并通过直接在成品封头上取样进行相关的性能检验和试验。

试验所用S30403+Q345R轧制复合钢板，交货状态为正火，钢板规格、钢板号见表1。

复合钢板到厂后，对钢板表面、规格尺寸、厚度及标志等进行检验，符合材料质量证明书及GB 713—2014《锅炉和压力容器用钢板》，GB 24511—2009《承压
设备用不锈钢钢板及钢带》的规定。

一般用于制作封头的复合钢板应进行有关复验[11]。

复合钢板以交货状态进行复验，在钢板宽度1/4处切取200 mm×600 mm试件(200 mm沿轧向)，位置见图1。

对基材、覆材进行化学成分分析，基材Q345R的化学成分复验结果符合TSG 21—2016，GB 713—2014的规定，覆材S30403的化学成分复验结果符合GB 24511—2009的规定。

对复合钢板进行常温拉伸、夏比V型缺口冲击(2组)、弯
曲及剪切强度试验，拉伸试验结果符合GB 713—2014的规定；基材无覆材一侧
钢材表面以下2 mm厚度，0 ℃冲击试验结果符合TSG 21—2016,GB 713—2014的规定；内、外弯曲试验结果均未发现裂纹，复合界面无分层；剪切强度符合TSG 21—2016,GB 150.2—2011的规定。

对覆材进行晶间腐蚀敏感性检验和金相检验，晶间腐蚀敏感性检验按GB/T 4334—2008《金属和合金的腐蚀不锈钢晶间腐蚀试验方法》中的E法。

检验结
果无晶间腐蚀裂纹，覆材金相组织正常。

对复合钢板进行100%超声检测，复验其结合状态，没发现未结合。

按图1中的标志要求，对基材、覆材表面各取17点进行厚度、硬度及铁素体检测。

厚度检测采用超声检测方法；硬度检测每点检测3次，取平均值。

厚度、硬度及
铁素体检测结果见表2。

封头采用冷旋压(二步法)成形方法成形，旋压机型号：K BOL5232。

成形后对封头形状和尺寸、结合率进行检查，对厚度、硬度和铁素体进行检测，并进行性能试验、晶间腐蚀敏感性检验、金相组织检验等。

封头设计为EHA型标准椭圆封头，内径φ2600 mm，封头结构见图2。

封头按GB 150.4—2011[3]及GB/T 25198—2010[2]进行制造、检验与验收。

按图1进行下料划线，并进行材料标志移植。

切割时对不锈钢进行保护，采用等
离子弧以不锈钢侧为起点进行切割，切割及刨边后应清理、修磨；接板焊接前对剖口线100 mm范围内进行超声检测；以覆材为基准组对，对口错边量≤1 mm；焊接应从基材侧开始，对坡口表面和焊接接头进行无损检测；接板后应校平，清理焊接接头两侧并打磨焊接接头表面与母材齐平，并进行工艺性热处理，防止旋压产生裂纹和脆裂。

按图1进行二次下料划线，按下料线割圆后，应将周边修磨圆滑、
无毛刺、无棱角，端面不得有裂纹、气泡、夹渣和分层等缺陷，防止成形时产生裂纹。

成形前，应再次清理，并对距剖口200 mm范围内进行超声检测；压鼓和翻
边时选用不锈钢胎具；成形后进行热处理，消除加工硬化[1-2]。

在旋压机上压鼓、翻边及修形。

按照企业有关操作规程及设计工艺文件严格操作，尽量减少压鼓和翻边道数，控制直边和最小成形厚度，防止产生褶皱、过度拉伸和挤压，减少冷作硬化程度及防止开裂。

经验证明，基材和覆材钢板的冶炼和轧制质量、复合钢板的复合质量(结合率)对封头的成形质量有较大的影响[16] 。

用带50 mm间隙的全尺寸标准椭圆断面线的内样板检查封头内表面的形状偏差，并对封头尺寸进行检查，检查结果见表3，符合GB 150.4—2011及GB/T 25198—2010的规定。

对封头端口及焊接接头等进行目视检查。

对封头进行100%超声检测，检查结合率，没发现未结合；内、外表面进行100%无损检测，检查封头表面质量，无裂纹等缺陷。

重点检查封头直边、过渡段转角处及其以下100 mm范围和焊接接头表面。

封头旋压成形后(热处理前)，按图2中的标志要求，对基材、覆材表面原17个点
进行厚度、硬度及铁素体检测。

厚度检测采用超声检测方法；硬度检测每点检测3次，取平均值。

厚度、硬度及铁素体检测结果见表4。

覆材钢板变形率为0.736%，变形率较低，但从表4可以看出，封头旋压成形后铁素体含量、硬度明显提高，特别是封头过渡段转角处。

经分析，原因为封头直径、厚度匹配接近旋压设备能力，成形过程中翻边道数超过规定。

为此，在复合钢板余料上切取200 mm×600 mm试件(200 mm沿轧向)进行冷冲压试验(内直径、直
边及过渡段转角半径符合图2规定)，对试件覆材过渡段转角处(沿200 mm轧向)
每隔10 mm进行铁素体、硬度检测，结果铁素体最高值为1.9%、基材硬度最高
值为HB162、复层硬度最高值为HB191。

封头热处理后，对封头直边、过渡段转角处及其以下100 mm范围进行超声检测，检查结合率，没发现未结合；对封头直边、过渡段转角处及其以下100 mm范围
和焊接接头表面进行无损检测，检查表面质量，无裂纹等缺陷。

封头热处理后，按图2中的标志要求，对复合板的基材、覆材表面原17个点再次进行厚度、硬度及铁素体复测。

厚度检测采用超声检测；硬度检测每点检测3次，取平均值。

厚度、硬度及铁素体检测结果见表5。

从表2，5可以看出，原材料复验、封头热处理后，覆材表面硬度值高于GB 24511—2009的规定。

对硬度较高的部位进行轻轻打磨，硬度逐渐下降。

按图2
以0°为起点，每隔45°对封头成品端部覆材1/2t处进行硬度检测，检测结果如表
6所示。

从成品封头上截取试件，试件包括直边、转角过渡段及焊接接头，试件的尺寸为300 mm×600 mm(300 mm沿垂直于焊缝方向，试件编号11-28)，具体见图2。

试件进行校平、无损检测。

在试件上取样，对试样进行常温拉伸、弯曲、夏比V
型缺口冲击、剪切强度试验，覆材进行晶间腐蚀敏感性检验和金相检验。

试样截取
数量、方向及部位见图3。

采用全板厚试样，试验方法按照GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》，试验结果见表7。

采用全板厚面弯、背弯试样，试验方法按照GB/T 2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》，弯曲后无肉眼可见裂纹。

试验结果见表8。

在基材表面下2 mm取样，试样尺寸10 mm×10 mm×55 mm，分别测试焊缝区(2组)、热影响区(含熔合区，2组)。

冲击试验温度为0 ℃，试验方法按照GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，试验结果见表9。

取纵向试样，试验方法按照GB/T 6396—2008《复合钢板力学及工艺性能试验方法》中第6条，试验结果见表10。

在覆材取3组试样(每组2个)，对轧制面进行晶间腐蚀敏感性检验，其中一组试样成形热处理后，热处理温度为620±20 ℃，保温时间70 min；其他二组试样进行模拟焊后热处理，模拟热处理温度为620±20 ℃，保温时间分别为6 h(假设基材名义厚度100 mm)和12 h(假设基材名义厚度200 mm)，具体按照热处理工艺进行。

根据材料质量证明书，按GB/T 21433—2008《不锈钢压力容器晶间腐蚀敏感性检验》进行晶间腐蚀敏感性检验，具体采用GB/T 4334—2008中的E法，试验结果见表11。

即使晶间腐蚀敏感性检验没发现晶间腐蚀裂纹，但有耐腐蚀要求时，冷旋压成形应考虑设备能力、操作技能，选择适宜的热处理工艺，控制覆材硬度[5]。

在试件厚度截面上取金相试样，经砂纸打磨、机械抛光后，基材采用4%硝酸酒精溶液浸蚀，覆材采用FeCl3盐酸水溶液进行浸蚀。

在金相显微镜下进行观察，试验结果见图4和表12。

其中图4(a)左上角为热影响区，是珠光体和铁素体组织，下半部分为母材，是带状珠光体和铁素体组织；图4(b)为铁素体和珠光体组织；
图4 (c)左侧为焊缝是树枝状铁素体和奥氏体组织，右侧为母材，是微量铁素体和奥氏体组织。

铁素体含量可视为影响晶间腐蚀的次要因素[8]，但铁素体含量对耐腐蚀性有一定的影响[17]，如果在高温情况下使用，还会增加不锈钢的脆化[18]。

通过对上述规格为4 mm+25 mm的S30403+Q345R焊接轧制复合钢板的复验及冷旋压成形工艺性能试验，得出如下结论。

(1)原材料交货状态(正火)下，力学性能、工艺性能符合材料质量证明书、TSG 21—2016,GB 150.2—2011及GB 713—2014的有关规定；覆材按照GB/T 4334—2008中的E法进行晶间腐蚀敏感性检验，无晶间腐蚀裂纹；金相组织正常；结合质量符合GB 150.2—2011的规定，没发现未结合；轧制复合板覆材表面硬度略高于GB 24511—2009的规定，覆材1/2t处硬度符合GB 24511—2009的规定。

复合钢板轧制复合使覆材表面硬度略有升高。

(2)冷旋压后，封头直边、转角过渡处，基材、覆材厚度减薄量较大，控制旋压道数和方法可降低减薄量。

(3)冷旋压导致封头表面硬度及铁素体含量增高，且随着翻边道数的增加而加大，特别是封头转角过渡段处增高比较明显，控制旋压成形道数可降低表面硬度和铁素体含量的增高；热处理后，基材、覆材的表面硬度有所下降。

(4)冷旋压及热处理后，封头基材与覆材之间没发现未结合。

(5)性能试验表明，成品封头力学性能、工艺性能符合TSG 21—2016，GB 713—2014及GB 150.2—2011的有关规定；覆材三种热处理状态(冷成形后热处理、模拟焊后热处理6 h及12 h)按照GB/T 21433—2008，采用GB/T 4334—2008中的E法分别进行晶间腐蚀敏感性检验，没发现晶间腐蚀裂纹。

(6)成品封头基材金相组织正常，覆材为奥氏体和微量铁素体组织。

(7)封头冷旋压成形(二步法)技术成熟，但与冷冲压相比，冷旋压成形对设备能力、
操作技能等要求较高，在直径与厚度允许且批量较大的情况下，宜优先选用冷冲压成形。

冷旋压成形工艺性能试验表明，采用真空焊接轧制复合工艺开发的规格为4
mm+25 mm的S30403+Q345R轧制复合钢板可以采用冷旋压方法制作封头。