大型容器用13MnNiMoR高強(qiáng)度鋼的焊接試驗(yàn)和評(píng)定

劉應(yīng)虎 葉小松 田洪波 陳志林 何 鵬

(二重集團(tuán)“德陽”重型裝備股份有限公司重容分廠，四川618013)

中壓轉(zhuǎn)動(dòng)反應(yīng)斧容器產(chǎn)品為二重集團(tuán)公司重容分廠首次采用13MnNiMoR高強(qiáng)度鋼生產(chǎn)的大型壓力容器。筒體壁厚達(dá)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(xiàng)目可以分為三大部分：(1)采用埋弧自動(dòng)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(jìn)行清根焊、焊補(bǔ)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(jìn)行焊接試驗(yàn)和分析，并通過工藝評(píng)定，對(duì)該材料的焊接特性有了較為全面的認(rèn)識(shí)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(shí)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(jià)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)，在2008年9月1日以后，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的修訂和合并，與13MnNiCrMoNbg合并在GB713—2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)中，統(tǒng)一稱為13MnNiMoR，下文中涉及的名稱和牌號(hào)均從GB713—2008標(biāo)準(zhǔn)中引用。13MnNiMoR鋼屬于高強(qiáng)度鋼，當(dāng)產(chǎn)品厚度較厚時(shí)，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(duì)母材特性的了解是制定合理的試驗(yàn)和評(píng)定方案的關(guān)鍵，特別是對(duì)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(yàn)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(xué)成分見表1，滿足GB713—2008標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的要求，實(shí)測(cè)值為對(duì)鋼板進(jìn)行入廠復(fù)驗(yàn)時(shí)所測(cè)得的數(shù)據(jù)。

表2為復(fù)驗(yàn)時(shí)試板的力學(xué)性能值。從表2中可以看到該材料的強(qiáng)度實(shí)際值為625 MPa，具有較高的強(qiáng)度和較好的力學(xué)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(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The chemical composition of 13MnMoNbR steel (mass fraction, %)

表2 13MnNiMoR鋼的力學(xué)性能Table 2 The mechanical properties of 13MnNiMoR steel

根據(jù)碳當(dāng)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(jì)算表明，該材料的焊接性較差，同時(shí)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(duì)較高，在焊縫熱影響區(qū)將存在一定的淬硬傾向。同時(shí)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(huì)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(kuò)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(kuò)散氫著手，控制這兩個(gè)因素，降低產(chǎn)生冷裂紋的可能性。對(duì)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(dāng)?shù)恼{(diào)整。對(duì)于焊縫中的擴(kuò)散氫，可以通過層間溫度的控制和焊接材料的控制來進(jìn)行降低。所以對(duì)于該類材料可以采用低氫型焊接材料，同時(shí)對(duì)坡口中存在的油污和鐵銹等可能提高擴(kuò)散氫含量的因素進(jìn)行徹底地清除，這些措施有利于降低焊縫中氫的含量。對(duì)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(shí)可以采用較小的熱輸入量E，同時(shí)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(shí)可以得知熔池結(jié)晶時(shí)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(diǎn)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(yáng)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(qiáng)層間溫度的控制以及減緩冷卻速度等措施來進(jìn)行控制。

(3)焊接熱影響區(qū)(HAZ)的硬化問題。在試驗(yàn)過程中，通過對(duì)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(dá)到280HBW，如果在工藝中不采取有效的措施進(jìn)行控制，將會(huì)對(duì)產(chǎn)品的安全性造成一定的影響，可能會(huì)導(dǎo)致焊接熱裂紋的產(chǎn)生。針對(duì)這個(gè)問題，在試驗(yàn)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(shí)在焊接過程中其HAZ硬度變高的實(shí)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(shí)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(dāng)熱影響區(qū)的溫度從800℃降低到300℃時(shí)，從圖2中可以看到，如果時(shí)間較短則會(huì)出現(xiàn)部分馬氏體組織，而使HAZ的硬度變高。當(dāng)t8/3小于64 s時(shí)，其組織大部分為馬氏體組織，當(dāng)t8/3大于153 s時(shí)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(shí)間，讓M轉(zhuǎn)變?yōu)锽的過程進(jìn)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(dāng)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(píng)定及試驗(yàn)

壓力容器主焊縫的工藝評(píng)定，通常包含一系列的焊接工藝評(píng)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(duì)最厚筒體的焊接試驗(yàn)進(jìn)行分析和討論，主要涉及的評(píng)定有90 mm板材的埋弧自動(dòng)焊工藝評(píng)定，90 mm板材的焊條電弧焊工藝評(píng)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(píng)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(duì)時(shí)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)為GB/T14957—1994。焊劑為CHF113，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB 12470—2003。在焊接過程中要控制好焊劑烘烤溫度，施焊時(shí)焊劑要做到隨取隨用，防止吸潮，同時(shí)在焊接時(shí)應(yīng)仔細(xì)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(yàn)，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(duì)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(gè)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(shí)進(jìn)爐熱處理，需對(duì)工件進(jìn)行及時(shí)的消氫處理以防止產(chǎn)生冷裂紋，規(guī)范為350℃×2 h。評(píng)定試板進(jìn)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(cè)：經(jīng)過上述工序后的評(píng)定試板進(jìn)行RT和UT探傷，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)JB4730—2005，檢測(cè)結(jié)果I級(jí)合格。

(7)接頭性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)：根據(jù)JB4708—2000和產(chǎn)品有關(guān)的技術(shù)要求對(duì)焊接接頭進(jìn)行了系列的試驗(yàn)和檢測(cè)，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(píng)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(yàn)結(jié)果均大于母材在相應(yīng)溫度下的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，宏觀斷面檢測(cè)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(yàn)D=3a=30 mm，彎曲角度A=180°，4組無裂紋合格；試驗(yàn)結(jié)果均滿足JB4708—2000標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

2.2 筒體補(bǔ)焊和部分焊縫采用SMAW評(píng)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(duì)時(shí)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(shí)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(hào)為CHE607Ni，型號(hào)為E6015-G，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T5118—1995。在焊接過程中需控制好焊條的烘烤溫度，施焊時(shí)焊條要隨取隨用，防止吸潮；同時(shí)在焊接時(shí)應(yīng)仔細(xì)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(yàn)，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(duì)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(gè)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(cè)：經(jīng)過上述工序后的評(píng)定試板進(jìn)行了RT和UT探傷，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)JB4730—2005，檢測(cè)結(jié)果I級(jí)合格。

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

焊接工藝評(píng)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(yàn)結(jié)果均大于母材在相應(yīng)溫度下的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，宏觀斷面檢測(cè)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(yàn)中D=3a=30 mm，彎曲角度A=180°，4組無裂紋，合格；試驗(yàn)結(jié)果均滿足JB4708—2000標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

2.3 筒體13MnNiMoR與底座Q345R異種鋼采用SMAW焊接的評(píng)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(duì)時(shí)可以根據(jù)實(shí)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(shí)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(shí)要注意防止13MnNiMoR母材熱影響區(qū)組織硬化，這時(shí)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(hào)為CHE507，型號(hào)為E5015，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5117—1995，施焊前按要求對(duì)焊條進(jìn)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(yàn)，預(yù)熱溫度應(yīng)≥150℃，最高層間溫度應(yīng)在300℃以內(nèi)，在整個(gè)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(cè)：經(jīng)過上述工序后的評(píng)定試板進(jìn)行RT和UT探傷，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)JB4730—2005，檢測(cè)結(jié)果I級(jí)合格。

(7)接頭性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)：根據(jù)JB4708—2000標(biāo)準(zhǔn)的要求對(duì)焊接接頭進(jìn)行了系列的試驗(yàn)和檢測(cè)，結(jié)果見表5，硬度檢測(cè)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(cè)位置示意圖Figure 3 The testing hardness sketch of weld joint of 13MnNiMoR and Q345R

焊接工藝評(píng)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(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度值大于Q345R材料標(biāo)準(zhǔn)要求的最低值，屬于合格；宏觀斷面檢測(cè)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(yàn)中D=4a=40 mm，彎曲角度A=180°，4件無裂

紋合格；其試驗(yàn)結(jié)果均滿足JB4708—2000標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)要求。

通過試板的焊接和試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合典型的焊接工藝評(píng)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(jìn)生產(chǎn)，提高焊縫的綜合性能同時(shí)也有利于提高焊縫的合格率，確保容器在運(yùn)行過程中的安全性。

3 結(jié)論

通過對(duì)13MnNiMoR鋼的焊接試驗(yàn)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(dāng)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(shí)盡量保持焊接接頭緩冷，緩冷時(shí)間越長(zhǎng)，其熱影響區(qū)淬火傾向越弱，同時(shí)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(yán)格控制氫的來源，焊接之前需要對(duì)焊條和焊劑進(jìn)行認(rèn)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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