13MnNiMoNbR高壓鍋爐的殼體焊接工藝設(shè)計(jì)*

馬天鳳，崔國明，李興霞

(河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校材料工程系，河南新鄉(xiāng)453000)

在鍋爐行業(yè)中，低合金高強(qiáng)度鋼得到越來越廣泛的應(yīng)用。它能滿足不同工作要求，適應(yīng)各種特殊的工作條件。在壓力容器的應(yīng)用范圍內(nèi)，其性質(zhì)也能滿足條件對(duì)材質(zhì)的要求，而且通過焊接的方法連接成不同幾何形狀的零部件，生產(chǎn)、修復(fù)簡便而且成本低。如13MnNiMoNbR鋼是我國上世紀(jì)80年代末引進(jìn)國外配方研制的。由于含碳量低，合金配方合理，使這類鋼具有較高的強(qiáng)度和韌性，并具有良好的焊接性，其應(yīng)用也日益廣泛。

1 13MnNiMoNbR的化學(xué)成分及性能

13MnNiMoNbR 鋼含碳量低(ωc≤0.16 ﹪)，具有良好的焊接性，含硅、錳量高，提高鋼的強(qiáng)度，含鉻提高鋼的耐蝕性，含鎳、鉬、鈮提高鋼的韌性及熱強(qiáng)性，使得13MnNiMoNbR鋼具有良好的高溫強(qiáng)度，其化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

表1 13MnNiMoNbR的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(﹪)

鋼的焊接性主要取決于化學(xué)成分，這類鋼一般加入了ωMo≤0.5﹪，Ni是固溶強(qiáng)化元素，Mo可以提高強(qiáng)度，細(xì)化組織，并提高鋼的中溫耐熱性，但含Mo鋼在正火后往往得到上貝氏體和少量的鐵素體，韌性和塑性指標(biāo)都不高，必須在正火后進(jìn)行回火才能獲得良好的塑性和韌性。但隨著合金元素的增加和強(qiáng)度的提高，焊接性也變差［1］。由于13MnNiMoNbR鋼母材的性能以及其成分對(duì)焊接的影響，分析焊接過程中問題主要來自兩個(gè)方面:焊接裂紋和熱影響區(qū)母材性能下降。

2 焊接工藝的制定

13MnNiMoNbR鋼是在正火+回火狀態(tài)下使用的，綜合力學(xué)性能和焊接性都比較好。為了保證焊接質(zhì)量，防止焊接裂紋或熱影響區(qū)性能下降，從焊前準(zhǔn)備到焊后熱處理的各個(gè)環(huán)節(jié)都需要進(jìn)行嚴(yán)格控制［2］。焊接采用焊條電弧焊打底，埋弧自動(dòng)焊填充及蓋面。

2.1 接頭與坡口的設(shè)計(jì)

合理的接頭設(shè)計(jì)應(yīng)使應(yīng)力集中系數(shù)盡可能小，且具有好的可焊到性，并便于焊后檢驗(yàn)。為此，應(yīng)避免將焊縫布置在斷面突然變化的部位，并考慮施焊方便，一般來說，對(duì)接焊縫比角焊縫更合理，因?yàn)楹笳邞?yīng)力集中系數(shù)大，并有明顯的缺口效應(yīng)，同時(shí)，對(duì)接焊縫更便于進(jìn)行射線或超聲波探傷。坡口形式以V形為佳，且應(yīng)保證焊縫與母材交界處平滑過渡?？紤]到板厚δ=50mm，并且焊后將產(chǎn)生應(yīng)力集中和邊緣應(yīng)力，采用雙V形坡口，如圖1所示。為減小應(yīng)力變形，采用圖2所示的焊接順序。

采用火焰切割13MnNiMoNbR鋼時(shí)，應(yīng)預(yù)熱100℃，切割邊緣進(jìn)行表面磁粉探傷。采用碳弧氣刨清根或清理缺陷時(shí)，應(yīng)將工件預(yù)熱150℃以上，并清除坡口及兩側(cè)各20～30mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹、氧化物、熔渣和水分等有害物質(zhì)。角向磨光機(jī)修磨焊口表面的焊渣以及飛濺物。坡口表面進(jìn)行PT(滲透檢測)檢查。組焊環(huán)焊縫時(shí)，對(duì)丁字口處進(jìn)行PT探傷檢查，確定無缺陷方可進(jìn)行焊接。

2.2 焊材的選用

選擇焊接材料最重要的原則就是保證焊縫金屬的性能，使之滿足產(chǎn)品的技術(shù)要求，從而保證產(chǎn)品在服役中正常運(yùn)行。熱軋及正火鋼主要用于制造受力構(gòu)件，要求焊接接頭具有足夠的強(qiáng)度、適當(dāng)?shù)那鼜?qiáng)比，足夠的韌性和低的時(shí)效敏感性，即具有與產(chǎn)品技術(shù)條件相適應(yīng)的力學(xué)性能［3］。焊接材料的選用及處理方法如表3所示。

表3 焊接材料的選用及處理

2.3 焊接工藝參數(shù)

焊接加工中工藝參數(shù)的選擇直接影響接頭的性能，為了防止熱影響區(qū)脆化和產(chǎn)生冷裂紋，所選焊接線能量應(yīng)保證合適的冷卻速度。實(shí)際生產(chǎn)中確定線能量的步驟是，首先通過實(shí)驗(yàn)確定所焊鋼材保證韌性的最大線能量，然后根據(jù)用此線能量焊接時(shí)的冷裂紋傾向確定是否需要預(yù)熱。焊接工藝具體參數(shù)如表4所示。

表4 焊接工藝參數(shù)的選擇

2.4 焊前預(yù)熱及焊后熱處理

焊前預(yù)熱是防止冷裂紋、改善接頭性能的主要措施。預(yù)熱溫度受母材強(qiáng)度、焊條類型、坡口形式、環(huán)境溫度等因素的影響，并可利用相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行初步估算。對(duì)于此設(shè)計(jì)預(yù)熱溫度應(yīng)大于150℃，預(yù)熱范圍要大于焊接區(qū)150mm以上，層間溫度150～250℃。

焊后熱處理是壓力容器制造工藝過程中重要的工藝環(huán)節(jié)，對(duì)厚壁壓力容器更是如此。焊后熱處理的目的是:松弛焊接殘余應(yīng)力及穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，軟化熱影響區(qū)，提高焊縫金屬的塑性及斷裂韌性，提高抗應(yīng)力腐蝕的能力，釋放焊縫金屬中的有害氣體——?dú)錃?，防止延遲裂紋的產(chǎn)生。具體措施為:

1)焊后工件立即進(jìn)行后熱處理，其溫度為300～450℃，保溫時(shí)間4～6h。

2)壓力容器主體結(jié)構(gòu)在消除應(yīng)力熱處理后，進(jìn)行580～620℃保溫，保溫時(shí)間6～8h。

3 焊后評(píng)定

按JB 4708—2000規(guī)定焊接試件的檢驗(yàn)試樣，測定性能如表5、表6、表7。

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4 結(jié)論

1)本論文針對(duì)13MnNiMoNbR高壓容器用鋼采用焊條電弧焊打底，埋弧焊填充、罩面，焊接質(zhì)量符合國標(biāo)與圖紙的要求。

2)按照J(rèn)B 4708—2000規(guī)定進(jìn)行焊接試件檢驗(yàn)并測定性能，得出所選焊條電弧焊焊接電流210～250A、焊接電壓29～32V、焊接速度10～20cm∕min，埋弧焊焊接電流700～800A、焊接電壓36～38V、焊接速度45～50cm∕min的工藝合格。

3)在焊接過程中，焊接變形是最大的問題。針對(duì)這個(gè)問題，本實(shí)驗(yàn)采用較小的線能量和預(yù)熱溫度，操作過程中嚴(yán)格控制層間溫度。

［1］ 英若采.熔焊原理及金屬材料焊接［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］ 王晉生，陳麗中.13MnNiMoNbR鋼焊接工藝［J］.大型鑄鍛件，2007，(6).

［3］ 王汗升，孔祥勛.壓力容器用鋼板［M］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996.