SA204B材料GMAW焊接工藝與應(yīng)用

摘要： SA204B材料是壓力容器用鉬合金耐熱鋼，材料抗拉強(qiáng)度485～620? MPa，屈服強(qiáng)度不小于275? MPa。目前工程技術(shù)人員僅對(duì)材料的焊條電弧焊（SMAW）和藥芯焊絲氣體保護(hù)焊（FCAW）工藝進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)與研究，為了盡快推進(jìn)材料的焊接自動(dòng)化，對(duì)材料實(shí)芯焊絲氣體保護(hù)焊（GMAW）工藝進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究與分析。FCAW焊接時(shí)，由于藥芯成分含有穩(wěn)弧劑、脫氧劑、造渣劑，具有良好的焊接工藝性，焊接過(guò)程需要逐層清理藥皮，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多層多道的連續(xù)自動(dòng)焊。通過(guò)對(duì)SA204B材料進(jìn)行GMAW焊接工藝的試驗(yàn)，該工藝可以滿足SA204B材料焊接自動(dòng)化條件。根據(jù)零部件結(jié)構(gòu)形式，科學(xué)合理的選擇施焊方法，擬定施焊工藝，在滿足焊接接頭質(zhì)量要求條件下，使焊接設(shè)備開(kāi)動(dòng)率最大化，焊接成本最小化，最大限度提高焊接自動(dòng)化應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞： 實(shí)芯焊絲氣體保護(hù)焊；SA204B；焊接質(zhì)量；焊后熱處理；焊接自動(dòng)化

中圖分類號(hào)： TG 44，TG 47

GMAW welding process and application of SA204B material

Shen Jianlei

（EBARA Machinery ZiBo Co.，Ltd.， ZiBo 255000，Shandong，China）

Abstract： SA204B is a molybdenum alloy heat-resistant steel used for pressure vessels. The tensile strength of the material is 485～620 MPa， and the yield strength is not less than 275 MPa. At present， engineers and technicians have only conducted relevant experiments and researches on SMAW and FCAW processes of materials. In order to promote the welding automation of materials as soon as possible， relevant experimental researches and analyses have been carried out on GMAW processes of solid cored welding wires. During FCAW welding， because the drug core contains arc stabilizing agent， deoxidizing agent and slag-forming agent， it has good welding technology. In the welding process， the drug coating needs to be cleaned layer by layer， and continuous automatic welding of multi-layer and multi-channel cannot be realized. Through the test of SA204B material GMAW welding process， the process can meet the automatic conditions of SA204B material welding. According to the structure of the parts， the welding method is selected scientifically and reasonably， and the welding process is formulated. Under the condition of meeting the quality requirements of welding joints， the operation rate of welding equipment can be improved to the maximum extent， the welding cost can be reduced to the maximum extent， and the application range of welding automation can be expanded to the maximum extent.

Key words：? solid cored wire gas shielded welding; material SA204B; welding quality; post-welding heat treatment; welding automation

0 前言隨著石化行業(yè)迅速發(fā)展，三元熔鹽已首選為石化工藝流程中的換熱介質(zhì)，其介質(zhì)工作溫度在160～450 ℃，為滿足該介質(zhì)相關(guān)設(shè)備安全運(yùn)行條件，設(shè)計(jì)單位選用Q345R低合金壓力容器材料或SA204B鉬合金材料［1］。目前國(guó)內(nèi)無(wú)SA204B材料應(yīng)用案例解析，對(duì)其焊接性、焊接工藝及材料使用經(jīng)驗(yàn)研究較少。通過(guò)對(duì)SA204B材料進(jìn)行焊接參數(shù)模擬試驗(yàn)，施焊過(guò)程嚴(yán)格控制焊接熱循環(huán)，該材料可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接工藝推廣與應(yīng)用，SA204B材料450 ℃高溫性能優(yōu)于Q345R材料。

1 試驗(yàn)材料

SA204B材料與類似的16Mo（中國(guó)）不同，其C元素含量較高，Mn和Mo元素含量的上限略高，而Si元素含量的下限略低。就C元素含量而言，它不像耐熱鋼，隨著使用溫度、高溫性能的提高而依次降低，以防止發(fā)生固溶體合金元素貧化、碳化物相聚集過(guò)程加速、石墨化等弊端。少量Mo元素含量的增加滿足了特定的力學(xué)性能要求，Mo元素優(yōu)先融入固溶體，強(qiáng)化固溶體，鉬的熔點(diǎn)高達(dá)2 652 ℃，固溶后可提高鋼的再結(jié)晶溫度，有效提高鋼的高溫強(qiáng)度和抗蠕變能力，鉬可以減小鋼材的熱脆性，還可以提高鋼材的耐腐蝕能力。較高的C元素含量會(huì)使鋼材在高溫使用時(shí)的組織不穩(wěn)定，焊接性變差［2］。SA204B材料620 ℃回火調(diào)制后金相組織為針狀鐵素體+粒狀貝氏體+珠光體+沿晶界分布的碳化物，金相組織如圖1和圖2所示。

根據(jù)美國(guó)金屬學(xué)會(huì)提出的碳當(dāng)量公式CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu+Si）/15（%），該公式考慮了鋼中Si元素的影響，當(dāng)CE＜0.35可不預(yù)熱；CE=0.35～0.55之間需要預(yù)熱；CE＞0.55既要預(yù)熱又要后熱［3］。合金含量取ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的上限，SA204B的CE=0.59＞0.55，需要焊前預(yù)熱和后熱。

根據(jù)美國(guó)金屬學(xué)會(huì)提出的用于計(jì)算預(yù)熱溫度的碳當(dāng)量經(jīng)驗(yàn)公式：CE=C+Mn/6+Ni/15+Mo/4+Cr/4+Cu/13（%）。當(dāng)CE＜0.45時(shí)，可不預(yù)熱；CE=0.45～0.60時(shí)，預(yù)熱100～200 ℃；當(dāng)CE＞0.60時(shí)，預(yù)熱200～370 ℃。合金含量取ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的上限，SA204B的CE是0.59，預(yù)熱溫度為100～200 ℃。

2 試驗(yàn)方法

SA204B材料具有冷裂紋傾向，實(shí)芯焊絲焊縫冶金過(guò)程在氣體保護(hù)中完成，氣體流量過(guò)大易產(chǎn)生紊流，導(dǎo)致焊縫周圍空氣卷入焊縫產(chǎn)生氣孔；氣體流量過(guò)小導(dǎo)致氣體保護(hù)效果不良，產(chǎn)生氣孔或氧化。焊縫冶金過(guò)程中極易產(chǎn)生合金元素?zé)龘p、氣孔和飛濺，在CO2電弧中，溶入液態(tài)金屬中的FeO是引起氣孔、飛濺的主要因素，同時(shí)FeO殘留在焊縫金屬中使焊縫金屬的O元素含量增加而降低力學(xué)性能，如果能使FeO脫氧，并在脫氧的同時(shí)對(duì)燒掉的合金元素給予補(bǔ)充，則CO2氣體的氧化性所帶來(lái)的問(wèn)題基本可以解決。根據(jù)上述分析，考慮選用純度99.99%的CO2氣體，匹配小電流、小電壓、多層多道焊接工藝施焊，焊接熱循環(huán)控制在150～250 ℃。

參考珠光體耐熱鋼的焊接工藝，焊接除了冷裂紋傾向，還要注意熱影響區(qū)的硬化和軟化，以及焊后熱處理或高溫長(zhǎng)期使用中的再熱裂紋。珠光體耐熱鋼一般是在熱處理狀態(tài)下焊接，焊后大多數(shù)需要進(jìn)行高溫回火處理，高溫回火有利于徹底消除內(nèi)應(yīng)力，提高金屬的塑性和韌性。為了避免焊接熱影響區(qū)晶粒粗大，要嚴(yán)格控制熱輸入，避免熱輸入過(guò)大導(dǎo)致熱影響區(qū)晶粒粗大，影響回火性能；為防止發(fā)生固溶體合金元素貧化，提高焊接作業(yè)效率，故選擇Si和Mn元素略高于母材的實(shí)芯焊絲進(jìn)行試驗(yàn)，焊接過(guò)程采取多層多道焊，嚴(yán)格控制焊道層間溫度［4］。

SA204B板材供貨狀態(tài)為正火狀態(tài)，考慮到SA204B材料C元素含量要高于珠光體耐熱鋼，為了改善焊接熱影響區(qū)硬化現(xiàn)象，焊后經(jīng)620 ℃高溫回火調(diào)質(zhì)處理，保溫時(shí)間按每1 mm厚度4 min計(jì)算，保溫后以3～5 ℃/min的冷卻速度冷卻至300 ℃，然后空冷，確保充足的相變時(shí)間，使二次結(jié)晶晶粒細(xì)化，促進(jìn)間隙固溶體的形成，提高材料的塑性和韌性［5］。

2.1 焊材選用

按ASME標(biāo)準(zhǔn)，從鋼材市場(chǎng)采購(gòu)SA204B現(xiàn)貨板材，正火狀態(tài)供貨，根據(jù)等強(qiáng)度匹配原則，選擇京雷品牌GMR-W70A1焊材，材料化學(xué)成分和力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1和表2。焊縫金屬中Si和Mn元素的增加，可以提高焊縫冶金過(guò)程的脫氧效果，降低氣孔和飛濺的發(fā)生概率，同時(shí)可以降低鋼的下臨界點(diǎn)，增加奧氏體冷卻時(shí)的過(guò)冷度，細(xì)化珠光體組織，以改善其力學(xué)性能［6］。

2.2 設(shè)備調(diào)試

焊接設(shè)備選用牡丹江歐地希焊接機(jī)有限公司生產(chǎn)制造的CPXDS-500Ⅱ型號(hào)焊機(jī)。焊前對(duì)送絲系統(tǒng)進(jìn)行檢查調(diào)試，確認(rèn)送絲滾輪、導(dǎo)電嘴、送絲導(dǎo)管、送絲壓緊裝置、供氣系統(tǒng)符合設(shè)備質(zhì)量要求，校驗(yàn)電流表、電壓表、氣體流量計(jì)合格有效。

SA204B試板焊接前，對(duì)焊接設(shè)備進(jìn)行參數(shù)試機(jī)，使其電流和電壓進(jìn)行微調(diào)試焊，電流與送絲速度及熔深成正比，電壓與熔化速度及熔寬成正比，試焊參數(shù)需要使其送絲速度與熔化速度完全吻合，以確保電弧的穩(wěn)定性，減少焊接飛濺。通過(guò)試焊確認(rèn)，選用CO2氣體純度99.99%、1.2 mm實(shí)芯焊絲、電流158～210 A、電壓27.2～28.4 V、氣體流量選擇15～20 L/min，滿足多層多道焊工藝需求，可獲得理想的成形焊縫［7］。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

焊前準(zhǔn)備：焊接試板尺寸選擇長(zhǎng)400 mm、寬150 mm、厚度40 mm的試塊2件，試板加工雙面V形坡口，確認(rèn)坡口及坡口兩側(cè)漏出金屬光澤，無(wú)銹蝕及油污殘留異物。焊縫測(cè)溫儀1個(gè)，測(cè)溫量程選擇0～300 ℃；試件加熱工裝1套， 碳弧氣刨設(shè)備1套，焊縫清根碳棒1盒，角磨機(jī)1個(gè)，砂輪片3個(gè)，秒表計(jì)時(shí)器1個(gè)，石棉被褥1套，焊縫檢驗(yàn)尺1個(gè)，焊接記錄表1份。

試板組對(duì)點(diǎn)焊前預(yù)熱至200 ℃，對(duì)試板坡口尺寸較小的一側(cè)進(jìn)行點(diǎn)焊固定，其焊縫長(zhǎng)度約為10 mm，分別點(diǎn)焊試板的兩端和中心位置，點(diǎn)焊后對(duì)其試板點(diǎn)焊背面進(jìn)行焊接，施焊過(guò)程中層間溫度控制在150～250 ℃，焊接兩層后對(duì)其焊縫背面進(jìn)行清根修磨，清根修磨至無(wú)未焊透情況，且完全漏出金屬光澤時(shí)，進(jìn)行正常施焊作業(yè)，整個(gè)過(guò)程采取多層多道焊，焊接過(guò)程中根據(jù)試件變形情況及時(shí)調(diào)整焊道順序，焊縫橫截面示意如圖3所示，施焊記錄見(jiàn)表3。選用GMR-W70A1京雷焊材，焊材批號(hào)為FBR017M，焊后進(jìn)行200～250 ℃后熱，保溫2 h，后熱時(shí)間結(jié)束后保溫緩冷。緩冷至室溫，24 h后經(jīng)PT和RT無(wú)損檢測(cè)確認(rèn)合格后轉(zhuǎn)熱處理。

為了驗(yàn)證該材料的再熱裂傾向，熱處理后進(jìn)行了二次RT確認(rèn)，確認(rèn)合格后制備相關(guān)理化試樣。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4和表5。

焊縫側(cè)彎試驗(yàn)，彎心直徑40 mm，室溫22 ℃下進(jìn)行4件彎曲試樣，試樣彎曲評(píng)定結(jié)果均合格。

3 結(jié)果分析

SA204B材料經(jīng)GMAW焊接試驗(yàn)后，其室溫抗拉強(qiáng)度為475～519? MPa，屈服強(qiáng)度為337～364 MPa，均斷于母材，斷后伸長(zhǎng)率為17.2%～19.9%；450 ℃高溫拉伸強(qiáng)度是440～450? MPa，屈服強(qiáng)度是263～287? MPa，其高溫強(qiáng)度優(yōu)于Q235B材料常溫性能。該材料具有良好的焊接工藝性，CO2氣體保護(hù)焊采用細(xì)絲焊接時(shí)，焊接電流密度較大，電弧熱量集中，熔透能力強(qiáng)，熔敷速度快，且焊后無(wú)需進(jìn)行清渣處理，因此生產(chǎn)效率高，可實(shí)現(xiàn)焊道連續(xù)自動(dòng)化焊接。CO2氣體及CO2焊絲價(jià)格便宜，焊接能耗低，實(shí)芯CO2氣體保護(hù)焊的使用成本很低，只有埋弧焊及手工電弧焊的30%～50%。

焊縫背面拉伸性能低于正面拉伸性能，背面單道焊縫最大熱輸入28.5 kJ/cm，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)下限值的2.1%，在母材處斷裂。根據(jù)ASME.Sex.IX相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)條款，該工藝評(píng)定合格，但實(shí)際WPS編制應(yīng)明確熱輸入要求，正面焊縫的平均熱輸入12.9 kJ/cm，獲得較好的焊縫力學(xué)性能，背面焊縫平均熱輸入16.3 kJ/cm，勉強(qiáng)滿足焊縫拉伸性能要求，故該材料熱輸入最大不宜超過(guò)16 kJ/cm，以滿足最佳焊接力學(xué)性能要求。

實(shí)芯CO2氣體保護(hù)焊對(duì)焊接人員的專業(yè)技能要求較高，焊接參數(shù)調(diào)節(jié)范圍較大，焊絲直徑1.2 mm時(shí)，其焊接電流90～350 A，電弧電壓19～35 V。熔滴過(guò)渡形式分為短路過(guò)渡、大顆粒過(guò)渡、細(xì)顆粒過(guò)渡和噴射過(guò)渡，如果選用80%Ar+20%CO2混合氣體作為保護(hù)氣體，易形成射流過(guò)渡；伴隨著電流的增大，對(duì)焊接人員的技能要求逐步提高，焊接過(guò)程中需要根據(jù)熔池狀態(tài)及時(shí)調(diào)整焊槍角度，以避免產(chǎn)生假焊，短路過(guò)渡或細(xì)顆粒過(guò)渡可以實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化。

焊接參數(shù)的大小決定熔滴過(guò)渡形式，同時(shí)決定焊縫熔合比，影響焊接熱影響區(qū)組織和性能。SA204B材料的實(shí)際應(yīng)用要考慮預(yù)熱緩冷的設(shè)備設(shè)施，要考慮焊縫位置的布置是否滿足施焊條件，因該材料具有冷裂紋傾向，承壓受力焊縫要采取完全熔透的焊縫接頭形式，焊接過(guò)程要充分考慮熱循環(huán)的控制措施。

4 結(jié)論

（1）SA204B材料通過(guò)金相分析屬于針狀鐵素體耐熱鋼，通過(guò)評(píng)定試驗(yàn)，正面焊縫熱輸入約為13 kJ/cm，拉伸強(qiáng)度滿足ASME材料標(biāo)準(zhǔn)；背面焊縫熱輸入約為16 kJ/cm， 拉伸強(qiáng)度剛剛滿足ASME材料標(biāo)準(zhǔn)下限值。

（2）焊接熱輸入控制在9～16 kJ/cm，熱輸入低于9 kJ/cm易產(chǎn)生馬氏體組織；熱輸入高于16 kJ/cm易產(chǎn)生晶粒粗大，形成貝氏體組織，使粗晶區(qū)韌性急劇下降，通過(guò)焊后熱處理無(wú)法滿足其理化性能，該材料GMAW焊接工藝滿足設(shè)計(jì)需求，滿足焊接自動(dòng)化推進(jìn)條件。

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收稿日期： 2023-01-18

沈建磊簡(jiǎn)介： 國(guó)際焊接技士，機(jī)械工程師，焊接高級(jí)技師；主要研究方向?yàn)榻饘俨牧虾附庸に嚨母倪M(jìn)及應(yīng)用；shenjianlei@ebara.cn。