張燁，余果，尹孝輝

1.馬鋼重型機械制造有限公司 安徽馬鞍山 243000

2.安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 安徽馬鞍山 243002

1 序言

近年來，隨著我國冶金技術(shù)的發(fā)展，以及對環(huán)境保護和能源節(jié)約的日漸重視，不同品種的耐酸鋼和耐候鋼生產(chǎn)與應(yīng)用也越來越多，然而對新型耐酸鋼和耐候鋼焊接性的研究仍不足。Q345NS耐硫酸露點腐蝕用鋼（以下簡稱Q345NS鋼）為新型耐候鋼的典型代表，具有良好的耐腐蝕性能。本文基于Q345NS鋼研究其焊條電弧焊（SMAW）和熔化極氣體保護焊（GMAW）焊接工藝，旨在為Q345NS鋼焊接提供工藝指導(dǎo)。

2 試驗材料

SMAW使用E5015-GP（牌號CHE507CuNi）焊條、E5016-G（牌號CHE506NiCrCu）焊條；G M AW使用H08M n S i C u C r N iⅡ（牌號C H W-40CNH）焊絲，對以上兩種工藝進行焊接對比試驗分析。試驗用母材為馬鞍山鋼鐵股份有限公司生產(chǎn)的Q345NS鋼板，其化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。該鋼屬于耐硫酸露點腐蝕用鋼，在鋼中加入了多種微量元素以保證耐硫酸腐蝕性能。

表1 Q345NS鋼板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 Q345NS鋼板力學(xué)性能

國際焊接學(xué)會（IIW）所定義碳當(dāng)量計算公式[1]為

經(jīng)計算，得出Q345NS鋼CE=0.4%。當(dāng)CE=0.4%～0.6%時，焊接性稍差，因此焊前需采取預(yù)熱措施。

材料冷裂敏感性指數(shù)（Pcm）計算公式[1]為

經(jīng)計算，得出Pcm=0.14%。當(dāng)Pcm≤0.25%時，焊縫組織生成馬氏體的可能性小，因此冷裂傾向小。

根據(jù)Q345NS鋼碳當(dāng)量和冷裂敏感性的計算結(jié)果，初步判斷該材料在焊接前不必采取預(yù)熱措施。

3 焊接工藝

在選擇焊接材料時，一方面，考慮到焊接材料的力學(xué)性能與Q345N S鋼匹配；另一方面，因Q345NS鋼獨特的耐硫酸腐蝕性能，所以要進行必要的化學(xué)成分對應(yīng)參考，焊條的化學(xué)成分應(yīng)盡量與母材相近[2]。基于以上焊接材料選擇原則，最終選出E5015-GP、E5016-G、H08MnSiCuCrNiⅡ共3種焊接材料進行試驗，并進行對比分析。焊接方法和焊接材料的牌號和規(guī)格見表3，焊接材料化學(xué)成分見表4，焊接材料力學(xué)性能見表5。

表3 焊接材料選擇

表4 焊接材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表5 焊接材料力學(xué)性能

試驗用焊接參數(shù)見表6，焊接試板坡口形式如圖1所示。

圖1 焊接坡口形式

表6 試驗用焊接參數(shù)

焊接電源采用YD-350GR3和YC-400TX3。焊前嚴(yán)格執(zhí)行焊條、焊絲管理制度和烘干使用制度。所有焊接試件必需由持證焊工施焊。焊前不預(yù)熱，焊后不進行熱處理。

4 焊接過程控制

1）為保證試驗條件貼近實際現(xiàn)場施工環(huán)境，以及大直徑管道和板狀拼接焊縫的焊接需求，接頭背面需要做清根處理，在根部基本熔透的情況下，使用角向磨光機做適當(dāng)清根處理，再進行封底焊接。當(dāng)接頭背面根部熔透狀況較差時，采用碳弧氣刨清根，再用角向磨光機將刨槽內(nèi)外的氧化物清理干凈。

2）焊接過程層間溫度嚴(yán)格控制在240℃以下。

3）焊縫各層之間使用角向磨光機清理飛濺物和殘留熔渣。

4）焊接完畢后，將焊縫及其周圍的飛濺物和殘留熔渣清理干凈，防止殘留物污染焊縫和熱影響區(qū)。

5 試驗結(jié)果與分析

5.1 無損檢測

無損檢測作為評定產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)劣等級的依據(jù)，提高產(chǎn)品在規(guī)定使用條件下工作的可靠性[3]。對試驗焊縫進行RT檢測。檢測依據(jù)NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第2部分：射線檢測》，以上兩種焊接工藝所焊接的焊縫經(jīng)RT檢測全部合格，均達(dá)到檢測標(biāo)準(zhǔn)。

5.2 力學(xué)性能試驗

分別對3種焊接方法進行拉伸、彎曲、常溫沖擊試驗和微觀金相檢測。拉伸試驗依據(jù)GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》、NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》，試驗設(shè)備為Z150（603841）；彎曲試驗依據(jù)GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》、NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》，試驗設(shè)備為BW-2000C（BW-1146）；沖擊試驗依據(jù)GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》、NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》，試驗設(shè)備為ZBC-300（20503062）。

以上兩種焊接工藝所焊接的焊縫經(jīng)拉伸試驗、彎曲試驗和常溫沖擊試驗，結(jié)果均達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，見表7。其中，E5016-G焊條焊接的試件在常溫沖擊試驗中具有明顯優(yōu)勢。

表7 焊接接頭力學(xué)性能

5.3 金相檢測

金相檢測依據(jù)G B/T 1 3 2 9 8—2 0 1 5《金屬顯微組織檢驗方法》，試驗設(shè)備為I m a g e r.A2m（3533000238）。E5016-G焊條焊接的試樣編號為1808163-1，E5015-GP焊條焊接的試樣編號為1808163-2，H08MnSiCuCrNiⅡ焊絲焊接的試樣編號1808163-3。3組試樣的焊縫顯微組織如圖2～圖4所示。由圖2可看出，E5016-G焊條焊接形成的焊縫組織為貝氏體+鐵素體，由圖3、圖4可看出，E5015-GP焊條和H08MnSiCuCrNiⅡ焊絲焊接形成的焊縫組織為貝氏體+鐵素體+細(xì)珠光體。

圖2 E5016-G焊條焊接試樣的焊縫顯微組織

圖3 E5015-GP焊條焊接試樣的焊縫顯微組織

圖4 H08MnSiCuCrNiⅡ焊絲焊接試樣的焊縫顯微組織

6 結(jié)束語

對Q345NS鋼進行的焊接工藝試驗，所獲得焊接接頭的力學(xué)性能均達(dá)到了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。但經(jīng)過力學(xué)性能試驗和金相分析得出，采用E5016-G焊條焊接形成的焊縫在力學(xué)性能和金相組織方面相對于其他兩種焊接材料均具有一定優(yōu)勢。2018年，E5016-G焊條焊接工藝應(yīng)用于長江鋼鐵煤氣管道更換項目中，經(jīng)過使用效果調(diào)查，該工藝焊接的焊縫使用至今未出現(xiàn)異常，耐腐蝕狀況也達(dá)到了要求。