劉應(yīng)虎 葉小松 田洪波 陳志林 何 鵬

(二重集團“德陽”重型裝備股份有限公司重容分廠，四川618013)

中壓轉(zhuǎn)動反應(yīng)斧容器產(chǎn)品為二重集團公司重容分廠首次采用13MnNiMoR高強度鋼生產(chǎn)的大型壓力容器。筒體壁厚達90 mm，筒體直徑大約為3 500 mm。容器殼體制造過程中主要涉及的焊接項目可以分為三大部分：(1)采用埋弧自動焊(SAW)焊接方法焊接筒體縱向焊縫和橫向焊縫，母材為13MnNiMoR；(2)采用手工電弧焊(SMAW)焊接方法焊接部分筒體以及進行清根焊、焊補等，母材主要是13MnNiMoR；(3)采用SMAW焊接方法焊接筒體與基座部分，主要涉及13MnNiMoR和Q345R之間的異種鋼焊接。本文分別從以上三部分入手進行焊接試驗和分析，并通過工藝評定，對該材料的焊接特性有了較為全面的認識和掌握。文中提及的焊接參數(shù)和焊接措施已經(jīng)順利地應(yīng)用到實際生產(chǎn)中，并取得一定的效果，可以為同類材料的焊接提供一定的參考價值。

1 13MnNiMoR鋼特性分析

13MnNiMoNbR鋼板具有較為特殊的特性，在2008年以前是按照GB6654—1996《壓力容器用鋼板》標準進行生產(chǎn)，在2008年9月1日以后，根據(jù)國家標準委員會的修訂和合并，與13MnNiCrMoNbg合并在GB713—2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》標準中，統(tǒng)一稱為13MnNiMoR，下文中涉及的名稱和牌號均從GB713—2008標準中引用。13MnNiMoR鋼屬于高強度鋼，當產(chǎn)品厚度較厚時，其焊接性能較差，焊接過程中非常容易產(chǎn)生缺陷。為了保證焊接質(zhì)量，對母材特性的了解是制定合理的試驗和評定方案的關(guān)鍵，特別是對材料本身焊接特性好壞的掌握將有利于制定合理的焊接工藝參數(shù)以便于在焊接過程中采取合理的措施來保證焊縫的內(nèi)在質(zhì)量。

1.1 材料性能分析

試驗過程采用了與生產(chǎn)過程中一致的鋼板，均為同一廠家生產(chǎn)的13MnNiMoR鋼板，母材的化學成分見表1，滿足GB713—2008標準的要求，同時也滿足產(chǎn)品技術(shù)條件規(guī)定的范圍。表中的要求值為GB713—2008中標準中規(guī)定的要求，實測值為對鋼板進行入廠復(fù)驗時所測得的數(shù)據(jù)。

表2為復(fù)驗時試板的力學性能值。從表2中可以看到該材料的強度實際值為625 MPa，具有較高的強度和較好的力學性能，資料表明該材料在焊接過程中容易出現(xiàn)大的應(yīng)力和拘束力。另外該材料的供貨狀態(tài)為正火+回火，脆性轉(zhuǎn)變溫度DNT≈-50℃；其金相組織為鐵素體+回火貝氏體。

表1 13MnNiMoR鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 The chemical composition of 13MnMoNbR steel (mass fraction, %)

表2 13MnNiMoR鋼的力學性能Table 2 The mechanical properties of 13MnNiMoR steel

根據(jù)碳當量公式CEN，冷裂紋指數(shù)公式Pcm以及焊接熱影響區(qū)最高硬度公式HVmax的計算表明，該材料的焊接性較差，同時該鋼種具有一定的冷裂紋傾向。

1.2 13MnNiMoR鋼的焊接性分析

從總的方面分析，該材料容易出現(xiàn)以下幾種焊接問題：

(1)焊接冷裂紋。由于HVmax的值相對較高，在焊縫熱影響區(qū)將存在一定的淬硬傾向。同時焊接的試板的厚度為90 mm，屬于較厚的工件，在焊接過程中將會存在較大的焊接應(yīng)力和較大的拘束度。如果焊縫中還存在一定量的擴散氫，這將是產(chǎn)生冷裂紋的三大因素。為此在焊接過程中要從熱影響區(qū)的硬度和焊縫中的擴散氫著手，控制這兩個因素，降低產(chǎn)生冷裂紋的可能性。對于焊接熱影響區(qū)的硬度，可以通過預(yù)熱和熱處理措施以及焊接過程中線能量的控制來適當?shù)恼{(diào)整。對于焊縫中的擴散氫，可以通過層間溫度的控制和焊接材料的控制來進行降低。所以對于該類材料可以采用低氫型焊接材料，同時對坡口中存在的油污和鐵銹等可能提高擴散氫含量的因素進行徹底地清除，這些措施有利于降低焊縫中氫的含量。對于焊接應(yīng)力來講，控制有一定的難度，但根據(jù)拘束度公式R=Eh/L，h為焊接中工件的厚度，可以從理論中推斷出，焊接時可以采用較小的熱輸入量E，同時采用短道焊接工藝措施。

(2)焊接熱裂紋。根據(jù)相關(guān)的理論知識可以得知熔池結(jié)晶時受到的拉應(yīng)力的影響是焊縫金屬產(chǎn)生熱裂紋的基本條件。由于產(chǎn)品筒體的母材厚度為90 mm，焊接過程中拉應(yīng)力較大，加上焊縫熔敷金屬中可能存在一些低熔點共晶化合物，如S化合物，P化合物等，則非常容易引起焊接熱裂紋。因此在選擇焊接材料的過程中要考慮具有一定脫S、脫P能力的焊接材料，另外可以使用S、P含量低的焊接材料，以有效控制焊縫中S、P等有害雜質(zhì)的含量。在焊接應(yīng)力方面的控制在前面已經(jīng)提及，可以采取焊前預(yù)熱，加強層間溫度的控制以及減緩冷卻速度等措施來進行控制。

(3)焊接熱影響區(qū)(HAZ)的硬化問題。在試驗過程中，通過對試板橫向截面硬度分析，發(fā)現(xiàn)13MnNiMoR鋼HAZ的硬度主要受焊接電流的影響較大。在大的焊接線能量條件下其最高的硬度達到280HBW，如果在工藝中不采取有效的措施進行控制，將會對產(chǎn)品的安全性造成一定的影響，可能會導(dǎo)致焊接熱裂紋的產(chǎn)生。針對這個問題，在試驗中摸索出采用較高的預(yù)熱溫度和調(diào)整好焊后熱處理規(guī)范來有效控制HAZ硬度偏高的問題。其實在焊接過程中其HAZ硬度變高的實質(zhì)是由于組織的變化。圖1所示為13MnNiMoR鋼的連續(xù)冷卻曲線CCT圖。該圖表明了在不同的冷卻條件下，13MnNiMoR鋼將呈現(xiàn)出不同的組織。冷卻速度越快越容易出現(xiàn)馬氏體(M)組織，M組織的出現(xiàn)將使硬度提高很快，出現(xiàn)淬硬現(xiàn)象，因此在工藝中需要減緩冷卻速度以控制組織變化。圖2為13MnNiMoR在不同t8/3條件下的組織比例，t8/3表示材料溫度從800℃降低到300℃的時間。在焊接過程中,由于受到焊接熱循環(huán)的作用，焊接熱影響區(qū)在距離焊接熔池不同的位置溫度是非常不均勻的。當熱影響區(qū)的溫度從800℃降低到300℃時，從圖2中可以看到，如果時間較短則會出現(xiàn)部分馬氏體組織，而使HAZ的硬度變高。當t8/3小于64 s時，其組織大部分為馬氏體組織，當t8/3大于153 s時其組織主要以貝氏體為主。因此在制定焊接工藝的過程中要增加t8/3的停留時間，讓M轉(zhuǎn)變?yōu)锽的過程進行充分和完全。在具體的工藝中一方面可以通過提高預(yù)熱溫度或在焊接過程中控制層間溫度在較高的區(qū)域，另一方面可以適當減少焊接線能量，在焊接質(zhì)量受到保證的條件下采用小的焊接電流，提高焊接速度，以使形成的焊道較薄，這樣有利于改善HAZ的綜合性能。

圖1 13MnNiMoR鋼的連續(xù)冷卻曲線CCT圖Figure 1 The CCT curve of 13MnNiMoR steel

圖2 13MnNiMoR鋼在不同t8/3條件下的組織比例Figure 2 The microstructure proportion of 13MnNiMoR steel under different t8/3

2 焊接工藝評定及試驗

壓力容器主焊縫的工藝評定，通常包含一系列的焊接工藝評定，以覆蓋產(chǎn)品中涉及的不同厚度部分的焊接。本文中主要針對最厚筒體的焊接試驗進行分析和討論，主要涉及的評定有90 mm板材的埋弧自動焊工藝評定，90 mm板材的焊條電弧焊工藝評定，以及筒體13MnNiMoR鋼與Q345系列材料的焊接。

2.1 SAW方法焊接筒體的縱向和橫向焊縫的工藝評定

(1)試板形式：試板厚度δ=90 mm，U型坡口，坡口角度β=8°，鈍邊P=8 mm，R=10 mm，焊接組對時根據(jù)情況可以使間隙b=0 mm，然后采用反面焊，背面清根；同時也可以根據(jù)焊接設(shè)備情況采用窄間隙坡口的形式。

(2)焊接材料：焊接材料選用含S、P雜質(zhì)較少的大西洋焊絲CHW-S7，執(zhí)行標準為GB/T14957—1994。焊劑為CHF113，執(zhí)行標準GB 12470—2003。在焊接過程中要控制好焊劑烘烤溫度，施焊時焊劑要做到隨取隨用，防止吸潮，同時在焊接時應(yīng)仔細清理焊接區(qū)的油污、水、鐵銹等。

(3)預(yù)熱及層間溫度：為了防止接頭產(chǎn)生裂紋及脆性組織，通過試驗，預(yù)熱溫度應(yīng)≥150℃，有的資料顯示應(yīng)預(yù)熱溫度應(yīng)≥180℃，但是溫度過高對焊接操作存在一定的難度，不利于焊縫質(zhì)量的提高，其最高層間溫度可以控制在300℃以內(nèi)。在整個焊接過程中要防止層溫低于150℃，否則容易導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)熱裂紋。

(4)焊接規(guī)范參數(shù)：焊接電流510 A～550 A，焊接電壓28 V～32 V，焊接速度(430～450)mm/min，焊接中采用偏小的焊接線能量，使焊道控制在較薄的范圍，每層厚度為3.0 mm～4.0 mm為佳。

(5)焊后熱處理：試件焊接完成后如果不能及時進爐熱處理，需對工件進行及時的消氫處理以防止產(chǎn)生冷裂紋，規(guī)范為350℃×2 h。評定試板進行了最大和最小規(guī)范的熱處理，分別為Max.PWHT 620℃×14 h和Min.PWHT 620℃×4 h。

(6)無損檢測：經(jīng)過上述工序后的評定試板進行RT和UT探傷，執(zhí)行標準JB4730—2005，檢測結(jié)果I級合格。

(7)接頭性能試驗數(shù)據(jù)：根據(jù)JB4708—2000和產(chǎn)品有關(guān)的技術(shù)要求對焊接接頭進行了系列的試驗和檢測，結(jié)果見表3。

表3 SAW焊接13MnNiMoR的接頭性能結(jié)果(δ=90 mm)Table 3 The property of welding joints of 13MnNiMoR by SAW welding(δ=90 mm)

焊接工藝評定結(jié)論：從數(shù)據(jù)分析中可知，焊接接頭的板材拉伸和熔敷金屬的圓棒拉伸試驗結(jié)果均大于母材在相應(yīng)溫度下的屈服強度和抗拉強度，宏觀斷面檢測沒有發(fā)現(xiàn)裂紋、疏松等缺陷；顯微組織也無過燒現(xiàn)象，且無淬硬的馬氏體組織；側(cè)彎試驗D=3a=30 mm，彎曲角度A=180°，4組無裂紋合格；試驗結(jié)果均滿足JB4708—2000標準和產(chǎn)品相關(guān)設(shè)計要求。

2.2 筒體補焊和部分焊縫采用SMAW評定分析

(1)坡口形式：U型坡口，試板厚度δ=90 mm，坡口角度β=8°，鈍邊P=3 mm，R=10 mm，焊接組對時根據(jù)情況可以使間隙b=2.5 mm～4 mm，采用單面焊背面成型技術(shù)，減少背面清根。同時也可以采用背面碳弧清根，根據(jù)加工情況也可以采用其它類型的坡口，但采用U型坡口將減少焊接材料的消耗，降低成本。

(2)焊接材料：采用大西洋低氫型焊條，牌號為CHE607Ni，型號為E6015-G，執(zhí)行標準GB/T5118—1995。在焊接過程中需控制好焊條的烘烤溫度，施焊時焊條要隨取隨用，防止吸潮；同時在焊接時應(yīng)仔細清理焊接區(qū)的油污、水、鐵銹等。

(3)預(yù)熱及層間溫度：為了防止接頭產(chǎn)生裂紋及脆性組織，通過試驗，預(yù)熱溫度應(yīng)≥150℃，有的資料顯示預(yù)熱溫度應(yīng)≥180℃，但是溫度過高對焊接操作存在一定的難度，不利于焊縫質(zhì)量的提高，其最高層間溫度應(yīng)控制在300℃以內(nèi)。在整個焊接過程中要防止層溫低于150℃，否則容易導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)熱裂紋。

(4)焊接規(guī)范參數(shù)：?3.2 mm焊條，焊接電流70 A～130 A，焊接電壓22 V～24 V；?4.0 mm 焊條，焊接電流140 A～170 A，焊接電壓23 V～25 V；?5.0 mm焊條焊接電流180 A～210 A，焊接電壓23 V～25 V。焊接過程中盡量采用短弧焊，使焊道控制在較薄的范圍。

(6)無損檢測：經(jīng)過上述工序后的評定試板進行了RT和UT探傷，執(zhí)行標準JB4730—2005，檢測結(jié)果I級合格。

(7)接頭性能試驗數(shù)據(jù)：根據(jù)JB4708—2000和產(chǎn)品有關(guān)的技術(shù)要求對焊接接頭進行了系列的試驗和檢測，結(jié)果見表4。

焊接工藝評定結(jié)論：從數(shù)據(jù)分析中可知，焊接接頭的板材拉伸和熔敷金屬的圓棒拉伸試驗結(jié)果均大于母材在相應(yīng)溫度下的屈服強度和抗拉強度，宏觀斷面檢測沒有發(fā)現(xiàn)裂紋、疏松等缺陷；顯微組織也無過燒現(xiàn)象，且無淬硬的馬氏體組織；側(cè)彎試驗中D=3a=30 mm，彎曲角度A=180°，4組無裂紋，合格；試驗結(jié)果均滿足JB4708—2000標準和產(chǎn)品相關(guān)設(shè)計要求。

2.3 筒體13MnNiMoR與底座Q345R異種鋼采用SMAW焊接的評定

(1)坡口形式：采用V型坡口，工件厚度δ=20 mm，坡口角度α=60°，鈍邊P=1 mm～2 mm，間隙b=2.5 mm～3.5 mm，焊接組對時可以根據(jù)實際情況調(diào)整工件間隙，采用單面焊背面成型技術(shù)，減少背面清根。同時也可以采用背面碳弧清根，根據(jù)加工情況也可以采用其它類型的坡口形式，在采用碳弧氣刨清根時要注意防止13MnNiMoR母材熱影響區(qū)組織硬化，這時需要采取有效措施，防止產(chǎn)生脆性組織。

(2)焊接材料：采用大西洋低氫型焊接材料，牌號為CHE507，型號為E5015，執(zhí)行標準GB/T 5117—1995，施焊前按要求對焊條進行烘干保溫，做到隨取隨用。

(3)預(yù)熱及層間溫度：為了防止13MnNiMoR母材側(cè)產(chǎn)生裂紋及脆性組織，通過試驗，預(yù)熱溫度應(yīng)≥150℃，最高層間溫度應(yīng)在300℃以內(nèi)，在整個焊接過程中要防止層溫低于150℃。

(4)焊接規(guī)范參數(shù)：?3.2 mm焊條，焊接電流70 A～130 A，焊接電壓22 V～24 V；?4.0 mm焊條，焊接電流140 A～170 A，焊接電壓23 V～25 V。

(6)無損檢測：經(jīng)過上述工序后的評定試板進行RT和UT探傷，執(zhí)行標準JB4730—2005，檢測結(jié)果I級合格。

(7)接頭性能試驗數(shù)據(jù)：根據(jù)JB4708—2000標準的要求對焊接接頭進行了系列的試驗和檢測，結(jié)果見表5，硬度檢測位置圖如圖3所示。

表4 SMAW焊接13MnNiMoR的接頭性能結(jié)果(δ=90 mm)Table 4 The property of welding joints of 13MnNiMoR by SMAW welding(δ=90 mm)

表5 SMAW焊接13MnNiMoR和Q345R鋼接頭性能結(jié)果(δ=20 mm)Table 5 The property of welding joints of 13MnNiMoR and Q345 by SMAW welding(δ=20 mm)

圖3 13MnNiMoR和Q345R焊接接頭硬度檢測位置示意圖Figure 3 The testing hardness sketch of weld joint of 13MnNiMoR and Q345R

焊接工藝評定結(jié)論：數(shù)據(jù)分析中焊接接頭的板材拉伸均斷裂于Q345R母材一側(cè)，其在相應(yīng)溫度下的屈服強度和抗拉強度值大于Q345R材料標準要求的最低值，屬于合格；宏觀斷面檢測沒有發(fā)現(xiàn)裂紋、夾渣、組織疏松等缺陷存在；側(cè)彎曲試驗中D=4a=40 mm，彎曲角度A=180°，4件無裂

紋合格；其試驗結(jié)果均滿足JB4708—2000標準的有關(guān)要求。

通過試板的焊接和試驗，同時結(jié)合典型的焊接工藝評定的分析，掌握了容器生產(chǎn)中13MnNiMoR的焊接工藝參數(shù)和焊接過程中需要注意的焊接要領(lǐng)，以更好地促進生產(chǎn)，提高焊縫的綜合性能同時也有利于提高焊縫的合格率，確保容器在運行過程中的安全性。

3 結(jié)論

通過對13MnNiMoR鋼的焊接試驗和分析，得出以下結(jié)論：

(1)厚度較大的13MnMoMbR鋼在容器產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中不宜采用較大的焊接線能量，在滿足焊接工藝性的條件下，可以適當調(diào)小焊接參數(shù)，這樣可以避免焊接接頭產(chǎn)生淬硬組織；

(2)在焊接13MnMoMbR鋼的過程中要求控制好預(yù)熱和層間溫度，范圍150～300℃，焊后立即采取消氫處理措施，同時盡量保持焊接接頭緩冷，緩冷時間越長，其熱影響區(qū)淬火傾向越弱，同時有利于氫的逸出，降低了冷裂紋傾向；

(3)焊接材料應(yīng)選擇含S、P較低的焊接材料和低氫型焊條，嚴格控制氫的來源，焊接之前需要對焊條和焊劑進行認真的烘干。大西洋生產(chǎn)的CHE607Ni焊條和CHW-S7配CHF113焊劑可以較好滿足該材料主焊縫的焊接。

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