20MnMo超厚鍛件不銹鋼堆焊工藝

楊華彬

摘 要：20MnMo鍛件的供貨熱處理狀態(tài)為淬火+回火（Q+T），經(jīng)過淬火+回火后的顯微組織是回火低碳馬氏體、下貝氏體或回火索氏體，這類組織雖然可以保證較高的力學(xué)性能但在焊接熱影響區(qū)容易產(chǎn)生冷裂紋和韌性下降。本文介紹了為完成超厚鍛件的不銹鋼帶極堆焊施工任務(wù)所采取的焊接工藝措施。

關(guān)鍵詞：20MnMo；超厚鍛件；帶極堆焊

中圖分類號(hào)：TG455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）10-0056-01

1 前言

粗甲醇水冷器設(shè)備管板為20MnMo鍛件堆焊不銹鋼耐蝕層，尺寸為φ2700×400mm堆焊耐蝕層厚度為6mm。由于堆焊工作量大、工期緊我們決定采用埋弧自動(dòng)帶極堆焊，對(duì)鍛件邊緣無法進(jìn)行帶極堆焊的部位采用焊條電弧焊。

2 焊接性分析及對(duì)策

20MnMo鍛件的供貨熱處理狀態(tài)為淬火+回火（Q+T），經(jīng)過淬火+回火后的顯微組織是回火低碳馬氏體、下貝氏體或回火索氏體，這類組織雖然可以保證較高的力學(xué)性能但在焊接熱影響區(qū)容易產(chǎn)生冷裂紋和韌性下降[1]。焊接熱影響區(qū)韌性下降的問題可以通過控制焊接熱輸入的大小的方法來解決，焊接熱輸入的大小已通過事先的焊接工藝評(píng)定驗(yàn)證進(jìn)行了驗(yàn)證。本文著重介紹施焊過程中為預(yù)防焊接冷裂紋的產(chǎn)生所采取的措施。眾所周知，焊接冷裂紋產(chǎn)生的三要素是拘束應(yīng)力、擴(kuò)散氫以及淬硬傾向。超厚20MnMo鍛件調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的淬硬傾向以及拘束應(yīng)力敏感性都很大。待施焊的管板是厚度達(dá)到400mm的超厚鍛件，厚度的增加直接導(dǎo)致了焊接過程中產(chǎn)生較大的拘束應(yīng)力，同時(shí)厚度較大如果預(yù)熱不均勻也會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。為了防止冷裂紋的產(chǎn)生施工過程中我們從拘束應(yīng)力、擴(kuò)散氫以及淬硬傾向三個(gè)方面采取了如下措施：（1）嚴(yán)格清理待焊表面鐵銹、氧化皮、油污等；（2）嚴(yán)格按要求烘干焊條、焊劑；（3）預(yù)熱采用大型加熱爐進(jìn)行爐內(nèi)預(yù)熱保證預(yù)熱均勻；（4）預(yù)熱好后出爐將除了待堆焊面外的各個(gè)面用保溫石棉包裹防止熱量散失過快；（5）焊接過程中停止施焊或焊接完成后應(yīng)進(jìn)行焊后消氫處理；（6）焊后進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。

3 減小焊接變形

埋弧自動(dòng)帶極堆焊的熱輸入較大，為防止管板產(chǎn)生超差變形我們?cè)谏a(chǎn)過程中采用中心對(duì)稱交叉的焊接順序。沿著中心線將圓周按逆時(shí)針標(biāo)注為0°、90°、180°、360°，第1層的第1道沿直徑從0°方向起弧焊到180°熄??；第2道從直徑的右側(cè)從180°方向啟弧焊到0°熄弧；第3道從直徑的左側(cè)從0°方向啟弧焊到180°熄弧，按如此規(guī)律上下兩半圓周對(duì)稱施焊且相鄰兩焊道（即2和4道，3和5道）的施焊方向相反。第2層的施焊方向?yàn)?0°到360°或360°到90°；施焊順序與第1層相同；第3層的施焊方向及順序均勻第1層相同；第4層的施焊方向及順序均勻第2層相同。

4 焊接與熱處理

4.1 焊接設(shè)備及材料

焊接設(shè)備采用MZ-1000埋弧自動(dòng)焊、ZX7-400逆變直流焊機(jī)。

帶極堆焊采用工藝性能優(yōu)良的燒結(jié)焊劑，過渡層焊帶選擇HW-H309L配合HW-SJ304焊劑，面層焊帶選擇HW-H308L配合HW-SJ303焊劑；焊條電弧焊過渡層采用A302焊條，面層采用A102焊條。

4.2 焊前準(zhǔn)備

（1）認(rèn)真清除待焊表面鐵銹、氧化皮、油污等，對(duì)待焊表面進(jìn)行MT 100%檢測I級(jí)合格，檢測后將耦合劑清洗干凈；（2）將焊條放入烘箱，烘干溫度為150℃，烘干1小時(shí)后放入保溫箱保溫備用；（3）將焊劑放入烘箱，烘干溫度為300～350℃，烘干2小時(shí)后放入保溫箱保溫備用。

4.3 工藝參數(shù)

由于管板厚度較厚，所以預(yù)熱溫度適當(dāng)提高具體溫度為180℃～200℃，過渡層層間溫度為180℃。為驗(yàn)證焊接質(zhì)量管板施焊的同時(shí)以相同的條件焊接一塊1000×200×80mm（厚度選擇80mm考慮到側(cè)彎試樣厚度過大難以彎曲）試板，焊接層次共4層，第1層第2層為過渡層，第3層第4層為面層（包括加工余量），具體焊接參數(shù)見焊接工藝參數(shù)表1。

4.4 焊后消氫熱處理

焊接過程中停止施焊或焊接完成后應(yīng)將管板均勻加熱到300-350℃保溫4小時(shí)后緩冷，如繼續(xù)施焊預(yù)熱溫度應(yīng)滿足上文要求。

4.5 焊后消除應(yīng)力熱處理

外觀檢測合格后進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。20MnMo鍛件回火溫度最低不得小于620℃[2]。為了不破壞材料的供貨狀態(tài)后續(xù)熱處理溫度應(yīng)小于材料回火溫度，其差值至少為30℃[3]。所以，消應(yīng)熱處理溫度選擇580℃±10℃，根據(jù)管板厚度選擇保溫時(shí)間為5.5小時(shí)，進(jìn)爐溫度不大于400℃。由于厚度較大升溫速度和降溫速度過快會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，故選擇較小的升溫速度和降溫速度具體為60-70℃/h。

5 檢測結(jié)果

對(duì)堆焊表面進(jìn)行PT 100%檢測，I級(jí)合格；UT 100%檢測，I級(jí)合格。同時(shí)在試板上取4個(gè)側(cè)彎試樣進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，彎曲半徑為40mm，彎曲角度180°，實(shí)驗(yàn)結(jié)果合格。在試板表面一下3-4mm處鉆取金屬碎屑進(jìn)行理化分析，帶極堆焊及焊條電弧焊區(qū)域分別隨機(jī)取三處共6處。對(duì)6份樣品分別進(jìn)行C、Mn、Si、S、P、Cr、Ni七元素測定，帶極堆焊處3份樣品七種元素含量均符合HW-H308L焊絲成分要求；焊條電弧焊處3份樣品七種元素含量均符合A102焊條成分要求。

6 結(jié)論與討論

通過對(duì)試板的檢測可以認(rèn)定本次20MnMo管板堆焊工藝參數(shù)、焊接材料的選擇以及消應(yīng)熱處理的溫度和時(shí)間的確定是合理的，能夠滿足設(shè)備的性能需要。

本次帶極堆焊施工過程中過渡層堆焊和面層堆焊采用了不同的焊劑。雖然圓滿的完成施工任務(wù)，但是兩種焊劑的使用從采購和焊材管理方面都增加了成本，在以后的工作和生產(chǎn)中我們會(huì)探索使用一種焊劑配合相應(yīng)焊帶完成不銹鋼耐蝕帶極堆焊。

參考文獻(xiàn)

[1]李亞江.焊接冶金學(xué)-材料焊接性[M].2007年1月第一版.

[2]章小滸，等.NB/T47004《承壓設(shè)備碳素鋼和合金鋼鍛件》[S].

[3]戈兆文，等.NB/T47015《壓力容器焊接規(guī)程》[S].