Q345R與20鋼焊接工藝研究及生產(chǎn)應(yīng)用

薛根奇 胡延偉 袁吉增

摘要：分析Q345R與20鋼的焊接性能，擬定TIG+MAG焊接工藝規(guī)程，確定最佳焊接規(guī)范參數(shù)，進(jìn)行了焊接工藝試驗(yàn)及評(píng)定，并采用滲透檢測(cè)、射線檢測(cè)驗(yàn)等方法驗(yàn)證焊縫的表面及內(nèi)部質(zhì)量，通過(guò)機(jī)械性能試驗(yàn)驗(yàn)證焊接接頭的性能。結(jié)合高壓電極鍋爐本體與支管焊接結(jié)構(gòu)形式，將試驗(yàn)研究結(jié)果應(yīng)用于高壓電極鍋爐本體與人孔等支管的焊接，按NB/T 47013.2、NB/T 47013.5的要求對(duì)焊縫進(jìn)行超聲檢測(cè)及滲透檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的I級(jí)質(zhì)量要求，焊接效果良好。

關(guān)鍵詞：異種鋼焊接;Q345R鋼;MAG焊;焊接工藝;生產(chǎn)應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TG457.1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）12-0067-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.13

0? ? 前言

為實(shí)現(xiàn)“ 雙碳 ”目標(biāo)，減少石化能源的消耗，擴(kuò)大風(fēng)電、光電等清潔能源的消納，高壓電極鍋爐作為集中清潔供暖、火電廠的靈活性調(diào)峰、工廠工藝供熱的重要設(shè)備正逐步擴(kuò)大應(yīng)用。高壓電極鍋爐的重要元件鍋爐主體筒體及封頭采用Q345R鋼，爐體上的各支管一般采用20鋼，筒體或封頭與支管之間采用完全焊透的插接結(jié)構(gòu)或騎座結(jié)構(gòu)如圖1所示。Q345R低合金高強(qiáng)鋼是用途最廣、用量最大的壓力容器專用鋼板，具有良好的綜合力學(xué)性能和工藝性能，被廣泛用于鍋爐、石油、化工、電站等行業(yè)，一般用于制作鍋爐本體、熱換器、反應(yīng)器、分離器、導(dǎo)氣管、液化氣罐、氣包、液化石油氣瓶、水電站高氣管、水輪機(jī)蝸殼等設(shè)備及構(gòu)件。20鋼為優(yōu)質(zhì)碳素鋼，其強(qiáng)度低，韌性、塑性和焊接性均較好。

1 Q345R及20鋼焊接性分析

Q345R鋼為低合金高強(qiáng)鋼，20鋼為優(yōu)質(zhì)碳素鋼。根據(jù)GB713-2014《壓力容器用鋼板》、GB/T 711-2017《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼熱軋鋼板和鋼帶》要求提供Q345R和20鋼的實(shí)測(cè)化學(xué)成分，如表1所示。

1.1 Q345R鋼及20鋼焊接冷裂紋傾向分析

化學(xué)成分影響鋼的淬硬傾向及焊接冷裂紋傾向，冷裂紋傾向通常用碳當(dāng)量CE或Ceq來(lái)評(píng)價(jià)[1]。

當(dāng)Ceq≤0.4% 焊接時(shí)基本無(wú)淬硬傾向，焊接性優(yōu)良，焊前不需要預(yù)熱;當(dāng)Ceq=0.4%～0.5%時(shí)，淬硬傾向尚不算嚴(yán)重，焊接性能尚可，但隨板厚的增加，需要一定的預(yù)熱措施;當(dāng)Ceq>0.5%時(shí)，淬硬傾向逐漸顯著，冷裂傾向隨之增加，為避免產(chǎn)生冷裂紋，需要采取嚴(yán)格的工藝措施，如焊前預(yù)熱、控制線能量、焊后熱處理等[2]。

焊接冷裂紋不僅取決于化學(xué)成分，而且還與其淬硬性、拘束度擴(kuò)散氫的含量有關(guān)，焊接研究中多數(shù)采用Pcm來(lái)評(píng)估低合金高強(qiáng)鋼焊接的冷裂紋敏感性，其公式為

當(dāng)Pcm≤0.20%時(shí)，無(wú)需預(yù)熱就能防止焊縫根部產(chǎn)生裂紋（焊縫根部在拘束條件下施焊時(shí)最易產(chǎn)生冷裂紋）[3]。工程經(jīng)驗(yàn)顯示，當(dāng)Pcm≤0.25%時(shí)，材料對(duì)冷裂紋敏感性不明顯[4]。

碳當(dāng)量CE或Ceq適應(yīng)于含碳量較高（≥0.18%）的鋼材，裂紋敏感系數(shù)Pcm適用于含碳量比較低（≤0.17%）的鋼材[2]。

將表1中Q345R鋼實(shí)測(cè)的化學(xué)成分代入式（1）～式（3），得到Pcm=0.236%，CE=0.438%，Ceq=0.438%，裂紋敏感系數(shù)小，碳當(dāng)量在0.4%左右，淬硬和冷裂傾向小，但由于含有一定量的合金元素，其淬硬、冷裂傾向都比低碳鋼大一些。因此常溫下焊接 Q345R 時(shí)，采取合適的焊接材料，常規(guī)工藝方法（無(wú)需預(yù)熱），焊縫及熱影響區(qū)一般不會(huì)出現(xiàn)淬硬組織，焊接冷裂紋產(chǎn)生的機(jī)率較小;焊接工件厚度較大時(shí)，需要適當(dāng)控制焊接熱輸入和道間溫度，避免焊縫及熱影響區(qū)出現(xiàn)馬氏體組織，必要時(shí)進(jìn)行焊后熱處理消除焊接應(yīng)力。

將表1中20鋼實(shí)測(cè)的化學(xué)成分代入式（1）～式（3），得到Pcm=0.239%，CE=0.305%，Ceq=0.302%，裂紋敏感系數(shù)小和碳當(dāng)量都較小，材料的淬硬傾向和冷裂傾向小，焊接性能優(yōu)良，采取常規(guī)的工藝方法不需要預(yù)熱，可獲得較好的焊接接頭。

1.2 熱裂紋傾向分析

低合金高強(qiáng)鋼的熱裂敏感性一般可用熱裂敏感系數(shù)HCS來(lái)評(píng)定，HCS≤4.0時(shí)，可以防止熱裂紋，HCS>4.0表示該合金鋼在某些工藝情況下焊接時(shí)易產(chǎn)生熱裂紋。

Q345R碳含量較低，且Mn含量高，Mn/S比較高，具有較好的抗熱裂性。將Q345R化學(xué)成分代入式（4），HCS=0.971，熱裂紋敏感性小，選取適當(dāng)?shù)暮附硬牧霞昂附庸に嚳梢苑乐购附訜崃鸭y的產(chǎn)生。20鋼含碳量低，合金元素少，熱裂敏感性比較低。

1.3 再熱裂紋傾向分析

焊縫再次加熱產(chǎn)生的裂紋為再熱裂紋，一般產(chǎn)生在過(guò)熱粗晶部位，母材、焊縫和熱影響區(qū)的細(xì)晶區(qū)均不易產(chǎn)生再熱裂紋。不是所有的鋼材和合金都具有再熱裂紋傾向，普通的碳素鋼和固溶強(qiáng)化的金屬材料一般不會(huì)產(chǎn)生再熱裂紋，只有含沉淀強(qiáng)化元素的金屬材料在焊縫熔合線附近易產(chǎn)生再熱裂紋。試驗(yàn)研究表明，Cr、Mo、V、Ti、Nb元素含量對(duì)再熱裂紋的影響較大，可用經(jīng)驗(yàn)公式PSR評(píng)價(jià)再熱裂紋傾向，PSR>0時(shí)易產(chǎn)生再熱裂紋。

將Q345R化學(xué)成分含量代入式（5），經(jīng)計(jì)算得PSR=-1.13，因此Q345R再熱裂紋不敏感，再次加熱時(shí)不易產(chǎn)生裂紋。

綜上分析可知，Q345R與20鋼焊接時(shí)不容易產(chǎn)生冷裂紋、熱裂紋以及再熱裂紋，焊接時(shí)選擇合適的焊接方法和材料，以及合理的工藝參數(shù)，可保證焊縫質(zhì)量。

2 焊接工藝試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)材料及焊接方法

電極鍋爐本體材料的厚度12～16 mm，無(wú)縫支管的厚度12～20 mm，焊縫的結(jié)構(gòu)形式有T型對(duì)接接頭、角接接頭，根據(jù)NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》確定采用16 mm厚Q345R鋼與20鋼進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，試件規(guī)格為600 mm×120 mm。根據(jù)Q345R鋼與20鋼的化學(xué)成分及機(jī)械性能和相關(guān)的研究及規(guī)范，采用50 kg級(jí)焊絲TGS-50及ER50-6[5～7]，為保證焊接質(zhì)量和焊接效率，結(jié)合鍋爐本體與管座焊接的具體情況，確定采用鎢極氬弧焊（TIG）+熔化極混合氣體保焊（MAG）焊接方法，具體為TIG焊打底，MAG焊填充及蓋面，焊絲質(zhì)量符合NB/T 47018.3-2017 《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件 第3部分：氣體保護(hù)電弧焊絲和填充絲》要求。

2.2 焊接設(shè)備、試樣坡口及接頭形式

焊接設(shè)備：TX-400焊機(jī)，YD-500GR3焊機(jī);焊接材料：φ2.4 TGS50，φ1.2 ER50-6;試件規(guī)格：600 mm×120 mm×16 mm。

接頭及坡口形式：平焊對(duì)接接頭，結(jié)合電極鍋爐主體上接管的形式，采用V型坡口，具體焊接坡口及焊接層次如圖2所示。

2.3 焊接工藝及措施

焊接工藝如表2所示。焊前及焊接過(guò)程中要注意以下事項(xiàng)[8-9]：（1）徹底清除坡口周圍銹跡、油污、水分;（2）試板兩端裝配對(duì)齊，錯(cuò)邊量小于板厚的1 mm;（3）由于是Y型坡口，單面焊縫，裝配時(shí)考慮適當(dāng)?shù)姆醋冃危s3°）;（4）打底焊保證坡口根部熔透，背面清根要徹底;（5）MAG焊填充及蓋面時(shí)坡口兩側(cè)要完全熔合，焊接層間對(duì)接處的接頭錯(cuò)開(kāi)30 mm以上，填充層及蓋面層的厚度控制在4 mm 以下;（6）根據(jù)打底焊的情況必要時(shí)背面清根后蓋面;（7）蓋面時(shí)，確保焊縫與母材圓滑過(guò)渡避免咬邊，焊縫成形系數(shù)小于0.1。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 外觀檢查

試件焊縫經(jīng)目視檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)任何氣孔、夾渣、裂紋等表面缺陷。按NB/T 47013.5-2015 《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第五部分 滲透檢測(cè)》進(jìn)行滲透檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果符合NB/T 47013.5-2015 Ⅰ級(jí)質(zhì)量要求。

3.2 焊縫內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)

按NB/T 47013.2-2015 《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第二部分 射線檢測(cè)》，AB級(jí)檢測(cè)技術(shù)對(duì)焊接試件進(jìn)行X射線檢測(cè)，焊縫內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，符合Ⅰ級(jí)質(zhì)量要求。同時(shí)按NB/T 47013.3-2015 《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第二部分 超聲檢測(cè)》B級(jí)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行超聲檢測(cè)，符合Ⅰ級(jí)質(zhì)量要求。

3.3 焊接接頭機(jī)械性能試驗(yàn)

焊接試件經(jīng)加工成機(jī)械性能拉伸、彎曲、沖擊試樣，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、面背彎、沖擊試驗(yàn)（常溫），試驗(yàn)結(jié)果如表3～表5所示。

異種鋼焊接接頭的抗拉強(qiáng)度一般不低于低強(qiáng)級(jí)母材要求即可，Q345R與20鋼的焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度σb=478.3 MPa，大于 GB/T 711規(guī)定的20鋼的410 MPa的最低值要求。

標(biāo)準(zhǔn)要求彎曲試驗(yàn)試件拉伸面上的焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)，任何方向不得有單條長(zhǎng)度大于3 mm的開(kāi)口缺陷，面彎和背彎試件表面無(wú)裂紋缺陷，符合要求。

對(duì)于碳鋼和低合金鋼，標(biāo)準(zhǔn)要求抗拉強(qiáng)度在450～510 MPa的鋼材焊接接頭的沖擊功KV2平均值≥24 J，GB713-2014 要求Q345R鋼母材的沖擊功≥41 J（0 ℃，KV2），GB 711-2017 要求20鋼母材的沖擊功≥34 J（20 ℃，KV2），≥27 J（-20 ℃，KV2）。GB699-2015 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼未對(duì)沖擊功要求進(jìn)行要求。Q345R與20鋼的焊接接頭焊縫、Q345R鋼側(cè)熔合區(qū)、20鋼熔合區(qū)平均沖擊功（20 ℃，KV2）分別為：79.67 J、118.3 J、87.3 J，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 生產(chǎn)應(yīng)用

高壓電極鍋爐的本體封頭材料為16 mm Q345R鋼板壓制成φ2 400 mm的標(biāo)準(zhǔn)封頭，封頭的電極管座為φ273×12 mm的20鋼無(wú)縫鋼管，封頭與電極管座形成偏心600 mm的插入式結(jié)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)形式及焊接順序見(jiàn)圖3，其他人孔管座等結(jié)構(gòu)類似。

焊接工藝措施：焊前不預(yù)熱，第1層（打底層）TIG焊熔透坡口根部不加或加少量焊絲，焊絲牌號(hào)GS-50，第2～4層（填充層）、5～6層（蓋面層）采用MAG焊，焊絲ER50-6，根據(jù)第一層的打底情況適當(dāng)清根后焊接背面第6層（蓋面），具體焊接工藝參數(shù)如表6所示，焊接后效果如圖4所示。

焊縫表面清理后進(jìn)行目視及滲透檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣、裂紋等表面缺陷，符合NB/T 47013.5-2015Ⅰ級(jí)質(zhì)量要求。同時(shí)進(jìn)行按NB/T 47013.3-2015 B級(jí)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行超聲檢測(cè)，符合Ⅰ級(jí)質(zhì)量要求。

5 結(jié)論

（1）Q345R+20鋼焊接時(shí)不容易產(chǎn)生冷裂紋、熱裂紋和再熱裂紋，焊接時(shí)選擇合適的焊接方法和焊接材料，以及合理的工藝參數(shù)，可保證焊縫質(zhì)量。

（2）Q345R鋼與20鋼焊接時(shí)，采用TIG焊打底，MAG焊填充及蓋面，用TGS-50及ER50-6焊絲，并采取適當(dāng)?shù)暮附庸に嚰按胧?。?duì)焊件進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，經(jīng)滲透、射線檢測(cè)，焊縫質(zhì)量符合NB/T47013.5、NB/T47013.2 Ⅰ級(jí)質(zhì)量要求，焊縫焊接接頭的機(jī)械性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（3）鍋爐封頭與偏心電極管座的焊接采用適當(dāng)?shù)暮附庸に?，?jīng)滲透檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣、裂紋等表面缺陷，符合NB/T 47013.5-2015Ⅰ級(jí)質(zhì)量要求。同時(shí)符合NB/T 47013.3-2015Ⅰ級(jí)質(zhì)量要求。

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