曹立宏郭一 霍紀(jì)鵬

1.邢臺市鍋爐壓力容器有限責(zé)任公司

2.邢臺市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所

某單位為內(nèi)蒙古托克托電廠制造3臺16MnDR 材質(zhì)，δ=10mm薄板壓縮空氣儲罐，以往我們一直采用焊條電弧焊，焊條電弧焊接頭質(zhì)量不易穩(wěn)定且焊縫成型不好，極易產(chǎn)生咬邊等對低溫鋼性能影響很大的外觀缺陷，我們在對16MnDR薄板焊接性分析的基礎(chǔ)上，制定了保證焊接接頭低溫韌性的焊接工藝參數(shù)和措施，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上修正了對焊絲錳含量的要求，成功地進(jìn)行了產(chǎn)品的焊接。

1 焊接性分析

16MnDR屬于鐵素體鋼，顯微組織為鐵素體加少量的珠光體。16MnDR的含碳量控制在0.06%～0.20%之內(nèi)，合金元素的總含量不超過5%，其碳當(dāng)量在0.27%～0.57%之間，由于碳當(dāng)量不高，淬硬傾向較小，室溫下焊接時(shí)不容易產(chǎn)生冷裂紋；同時(shí)由于其硫和磷等雜質(zhì)元素含量控制的較低（均低于0.030%），也不易產(chǎn)生熱裂紋。因此16MnDR焊接性良好。

對于容器來講，16MnDR在焊接時(shí)至關(guān)重要的是保證焊接接頭的低溫韌性。

在影響低溫韌性的因素中，以合金元素的影響最為顯著。碳元素強(qiáng)烈的影響著低溫韌性，隨著碳含量增加，鋼的冷脆轉(zhuǎn)變溫度急劇上升；錳對改善低溫韌性十分有利，隨著錳含量增加，鋼的冷脆轉(zhuǎn)變溫度下降。另外硫和磷等微量元素都會對鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度產(chǎn)生不良影響。為此必須正確選擇焊絲和焊劑，并控制填充金屬的合金含量。

其次要嚴(yán)格控制焊接線能量和層間溫度，避免焊接接頭受過熱影響，避免熱影響區(qū)晶粒長大，形成所謂的粗晶區(qū)脆化而韌性降低。粗晶區(qū)脆化一般產(chǎn)生在接頭熱影響區(qū)的過熱區(qū)（即熱影響區(qū)被加熱到1100℃ 以上直至熔點(diǎn)以下的區(qū)域）。產(chǎn)生原因是采用了較大的焊接線能量，粗晶區(qū)晶粒長大，馬氏體組織比例增大，從而接頭的韌性降低?？刂坪附泳€能量必須合理選擇焊接工藝參數(shù)，包括焊接電流、電弧電壓 和焊接速度等焊接規(guī)范參數(shù)的匹配。為了獲得成型良好焊的焊接接頭，還必須適當(dāng)控制焊接接頭形狀系數(shù)和熔合比這兩個(gè)指標(biāo)。

為了保證焊接接頭的低溫韌性還必須嚴(yán)格控制焊后熱處理溫度，避免產(chǎn)生回火脆性，因此必須制定合理的焊后熱處理工藝。

2 焊接工藝試驗(yàn)

16MnDR中厚鋼板（δ≥16）的埋弧焊工藝較為成熟，應(yīng)用也較為廣泛。但16MnDR薄板使用埋弧焊的很少。因?yàn)樵谌萜髦圃熘?，除了要求?nèi)部質(zhì)量和低溫韌性外，按照GB150標(biāo)準(zhǔn)對焊縫的余高要求不得超過1.5mm。

為此我們選擇δ=10mm的鋼板進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)。

16MnDR鋼板供貨狀態(tài)為正火，δ=10mm，符合GB3531-96標(biāo)準(zhǔn)。單件試板尺寸 500×125×10。

16MnDR δ 10mm化學(xué)成分見下表：

2.1 焊絲和焊劑的選擇

1）焊絲

選擇H10Mn2。因?yàn)槭潜“搴附?，為了降低焊接線能量，采用較小直徑的焊絲，選擇焊絲直徑φ3.0mm。焊絲使用前對其表面的銹和油污等雜質(zhì)應(yīng)仔細(xì)清理去除。

2）焊劑

采用堿性燒結(jié)焊劑，因?yàn)閴A性焊劑得到的熔敷金屬含氧量低，可以獲得較高的焊縫沖擊韌性且抗裂性好，燒結(jié)焊劑可以加脫氧劑，脫氧充分，同時(shí)還可以加入合金劑，增強(qiáng)合金作用。焊劑選用SJ102。

根據(jù)國際焊接學(xué)會IIW推薦的公式

堿度B=(CaO+MgO+CaF2+0.5MnO)/(SiO+0.5Al2O3)

計(jì)算得出：SJ102符合B＞1.5，同時(shí)SJ102為氟堿型燒結(jié)焊劑。

由于SJ102吸濕性較大，容易增加焊縫的含氫量，所以焊前必須烘干，烘干溫度：300℃～350℃，保溫2h。

2.2 坡口設(shè)計(jì)

為了保證焊透和余高滿足要求，采用如下圖的坡口和組對形式：

坡口角度60~70，鈍邊：6mm。

2.3 焊機(jī)

為了保證焊接試驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行，選擇性能優(yōu)良的美國LICOLN IDEALARC DC-1000型埋弧焊機(jī)。

2.4 焊接工藝參數(shù)的選擇

1）焊接電流和電弧電壓

焊接電流和電弧電壓是非常重要的參數(shù)，焊接電流增大，焊縫熔深增加；電弧電壓愈大，熔化寬度越大。二者直接影響著焊接線能量和焊接接頭形狀系數(shù)和熔合比指標(biāo)。單獨(dú)增減任一參數(shù)，都會造成焊接缺陷，對焊縫產(chǎn)生不利影響。為了獲得良好的焊縫成型和接頭的低溫韌性，焊接電流和電弧電壓均不能過大，根據(jù)焊絲直徑φ3.0mm，選擇焊接電流350A～450A，電弧電壓28～36V。

具體參數(shù)為正面（開坡口側(cè)），焊接電流350～380A，電弧電壓32～34V；背面碳弧氣刨清根，氣刨深度4mm，背面焊接電流400～420A，電弧電壓28～30V。

2）焊接速度

為了避免接頭過熱，宜采用較快的焊接速度施焊。但焊接速度太快，會造成未焊透、氣孔等缺陷。因此，選擇焊接速度要考慮與焊接電流和電弧電壓相匹配。選擇焊接速度32～36m/h。

3）焊絲伸出長度

焊絲伸出長度增加，由于電阻增大，伸出部分的焊絲所受到的余熱作用增強(qiáng)，焊絲熔化速度加快，使得熔深變小，焊縫余高增大。為了保證焊縫余高≤1.5mm，我們選擇焊絲伸出長度范圍在25mm～35mm之間。

4）焊絲與工件的傾角

因?yàn)槭潜“搴附?，講焊絲相對焊件稍稍前傾，這樣電弧吹向焊接方向，電弧對熔池金屬的作用力減弱，熔深減小，熔寬略增大，有利于焊縫成型滿足要求。

5）焊劑墊

焊接時(shí)需要在背面（相對焊接側(cè)）采用焊劑作為襯墊。

3 焊后熱處理

焊后熱處理采用消除應(yīng)力退火，文獻(xiàn)表明：在進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理時(shí)，當(dāng)加熱溫度處于回火脆性敏感溫度區(qū)間時(shí)，會析出脆性相，使低溫韌性顯著降低。因此避免產(chǎn)生回火脆性，保證接頭的低溫韌性，選擇退火溫度600～620℃。

4 焊接檢查與結(jié)果

按上述試驗(yàn)條件，焊接試件，焊后熱處理。焊縫余高實(shí)測：1.0mm～1.5mm，未見其他外觀缺陷，對接頭內(nèi)部進(jìn)行100%RT，達(dá)到II級要求。

用試板加工低溫沖擊試樣進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為容器的設(shè)計(jì)溫度-40℃，采用夏比V型缺口，試樣尺寸：7.5×10×55，合格指標(biāo)：AKV≥27J×75%=19J（供貨要求鋼板的低溫沖擊功沖擊≥27J），一組三個(gè)試樣，按三個(gè)試樣單值的算術(shù)平均值計(jì)算，允許其中一個(gè)試樣單值低于規(guī)定值，但不得低于規(guī)定值的70%。

第一次低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果為：10、9、16。結(jié)果不符合要求。

對原因的分析中，首先想到了合金元素（主要是錳含量）的影響，于是對焊絲的化學(xué)成份進(jìn)行了復(fù)驗(yàn)，焊接所用焊絲Mn含量為1.51%，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。之后又進(jìn)行了用錳含量（復(fù)驗(yàn)值）為1.60%、1.68、1.73%、1.82%的焊絲在相同焊接條件和試驗(yàn)條件下的對比試驗(yàn)，其后的低溫沖擊韌性結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

為此我們在16MnDR薄板埋弧焊時(shí)對焊絲的要求修正為焊絲Mn含量必須大于1.6%。

5 結(jié)語

應(yīng)用上述工藝，焊接了3臺托克托電廠壓縮空氣儲罐和其他電廠將近10臺16MnDR薄板（8mm≥δ≥12mm）壓力容器，從外觀余高，到內(nèi)部質(zhì)量，特別是焊接試板（逐臺）低溫沖擊韌性全部合格。證明我們的焊接工藝滿足生產(chǎn)需求。

[1]俞尚知. 焊接工藝人員手冊. 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1992.