王 昊

（中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江鶴崗 154100）

0 引言

煤化工領(lǐng)域反應(yīng)器采用的母材為Cr-Mo 合金鋼。12Cr2MoG 材料是Cr-Mo 合金鋼，也是一種耐熱鋼，其具有抗氧化、高溫強(qiáng)度，抗蠕變、氫耐腐蝕等性能是當(dāng)前工業(yè)設(shè)備中高溫高壓管道以及鍋爐鋼材優(yōu)選鋼種，該材料具有較強(qiáng)淬硬性，因此，在開展手動埋弧焊接過程中難度較大。本研究通過手動埋弧焊焊接工藝分析，進(jìn)而得出焊接最佳參數(shù)，以提高焊接接頭質(zhì)量，為國內(nèi)工業(yè)超重質(zhì)化裝置焊接工藝提供參考。

1 力學(xué)性能分析

本次焊接實驗使用的12Cr2MoG 鋼板厚度為30 mm，力學(xué)性能見表1。

表1 12Cr2MoG 力學(xué)性能

2 鋼材焊接性能

12Cr2MoG 鋼材料的碳含量較高（0.95%），在焊接過程中焊接接頭具備淬硬性和冷裂性能，為防止焊接時產(chǎn)生裂紋，要求進(jìn)行焊前預(yù)處理，以控制層間溫度，降低接頭冷卻速度，防止鋼材在焊接時出現(xiàn)馬氏體轉(zhuǎn)變。完成焊接后焊接接頭需進(jìn)行熱處理，以消除殘余應(yīng)力，改善焊接接頭的性能。焊接前預(yù)熱溫度控制在150～250 ℃，層間溫度控制在120～250 ℃。適當(dāng)提高層間溫度和預(yù)熱溫度，能夠防止焊接接頭產(chǎn)生裂紋和應(yīng)力，當(dāng)溫度達(dá)到350～500 ℃時，焊接接頭會形成回火脆性，焊后熱處理除溫度之外還需控制接頭冷卻速度，避免出現(xiàn)回火脆性。

3 焊前準(zhǔn)備工作

（1）焊接試板。本研究選擇壓力容器鋼板和鍋爐鋼板，材料為12Cr2MoG，規(guī)格為600 mm×200 mm×30 mm，為保證焊接過程中應(yīng)力分布均勻，焊接時選擇X 形坡口（圖1）。

圖1 試板坡口尺寸

12Cr2MoG 材料具有較強(qiáng)脆硬性，經(jīng)過熱切割后可提高鋼材硬度，但會影響焊接質(zhì)量，因此需利用機(jī)械加工的方式進(jìn)行坡口焊接，要求加工面整潔、光滑且無鋸齒，坡口邊緣要及時清除水分和銹蝕、氧化皮等雜質(zhì)，距離坡口邊緣25 mm 直接打磨后進(jìn)行磁粉檢查，保證脫口面無明顯的裂紋。

（2）焊接過程中要求焊接材料與母材強(qiáng)度保持一致。綜合12Cr2MoG 材料性能，可采用直徑4 mm 的H10Cr2MoG 埋弧焊絲，以及匹配燒結(jié)焊劑，封底焊條直徑4 mm，型號為R407C。焊接前需烘干埋弧焊劑，并且選取上限烘干溫度（350 ℃），封底焊條應(yīng)置于150 ℃保溫箱保存。

4 焊接工藝

（1）焊前預(yù)熱。室溫下12Cr2MoG 鋼材料在焊接過程中存在較大空淬性，熱影響區(qū)硬度較高，因此焊接時很容易產(chǎn)生裂紋，采用預(yù)熱法以緩解焊接接頭快速冷卻，進(jìn)而減少淬火組織，降低內(nèi)部殘余應(yīng)力，利于溢出氫氣，防止裂紋形成。此外，采用預(yù)處理法還可及時去除材料表面的油污、水分，降低金屬含氫量。結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)，焊前預(yù)熱溫度應(yīng)高于150 ℃，以防出現(xiàn)冷裂紋和再熱裂紋。由于鋼管焊接過程中散熱快，存在較多不利于焊接的因素，因此本次焊接工藝確定焊線預(yù)熱溫度為150～250 ℃，可采用氧乙炔加熱或電加熱法，在距離坡口75 mm 內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱溫度的檢測。

（2）焊接線能量控制。應(yīng)合理控制焊接線能量，能量較大會導(dǎo)致長時間焊縫金屬處于高溫狀態(tài)，使熱影響區(qū)溫度較高，最終會使晶粒粗大，產(chǎn)生寬度較大的裂縫，降低材料力學(xué)性能或產(chǎn)生高溫裂紋等。焊接鋼材根部時應(yīng)選擇合理的焊接電流，焊接時如果鋼材焊到寬度窄處可適當(dāng)提高電流，進(jìn)而實現(xiàn)輪廓操作，多次焊接可以發(fā)現(xiàn)，可將焊接線能量控制在2.5 kJ/mm 內(nèi)，以降低材料焊縫缺陷，提升鋼材的焊接質(zhì)量。

（3）層間溫度控制。在多層焊接過程中，鋼材焊層對前部分材料焊成存在消氫作用，可改善熱影響區(qū)以及前層焊縫金相組織，要求層間溫度應(yīng)適當(dāng)高于預(yù)熱溫度，但層間溫度不能過高，否則會逐層積累氫含量，導(dǎo)致焊接出現(xiàn)熱變形，進(jìn)而使焊管根部產(chǎn)生集中應(yīng)力，提升冷裂紋產(chǎn)生得概率。綜合分析，合理設(shè)置層間溫度120～250 ℃比較合適。

（4）工藝控制。焊材選擇直徑4 mm 的H10Cr2MoG 埋弧焊絲，同時配合使用SJ150 焊劑，在預(yù)焊過程中，使用直徑4.5 mm的R407C 焊條，實現(xiàn)間斷點焊，以防出現(xiàn)內(nèi)焊燒穿現(xiàn)象。焊接背面時采用碳弧氣刨法，及時清除預(yù)焊層病進(jìn)行坡口打磨，防止?jié)B碳現(xiàn)象的發(fā)生。利用磁粉檢測坡口表面，確保無裂紋產(chǎn)生。

（5）焊接過程及設(shè)備分析。按照焊接工藝參數(shù)規(guī)范焊接操作，根據(jù)實際情況調(diào)整焊接參數(shù)（表2）。在埋弧焊中采用埋弧焊機(jī)DC1500。

表2 焊接工藝參數(shù)

（6）焊后熱處理。試板焊接后需進(jìn)行退火處理，690 ℃保溫8 h，入爐時溫度應(yīng)低于300 ℃，升溫速率控制在75 ℃/h，降溫速率控制在35 ℃/h，隨爐冷卻，出爐溫度167 ℃。

5 結(jié)果分析

對鋼材焊縫進(jìn)行外觀檢測，要求焊縫外觀良好，且無明顯裂紋，夾渣、咬邊等缺陷。對鋼材進(jìn)行磁粉檢測，其近表面無明顯缺陷，符合Level 一級標(biāo)準(zhǔn)。對鋼材進(jìn)行超聲波檢測，其內(nèi)部質(zhì)量較好，經(jīng)過探傷檢測，結(jié)果符合Level 二級標(biāo)準(zhǔn)。對鋼材進(jìn)行射線拍片檢查，其內(nèi)部無缺陷，結(jié)果符合Level 二級標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過超聲波無損探測和外觀檢測，符合要求，嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)范開展鋼材機(jī)械切割取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析、沖擊實驗分析和彎矩試驗、硬度檢測、拉伸試驗。

（1）化學(xué)成分。通過立式光譜儀進(jìn)行焊縫材料化學(xué)成分分析，母材成分與焊縫元素含量基本一致，表明焊接時母材與焊材的匹配度較高。

（2）拉伸試驗。焊縫抗拉強(qiáng)度為634 MPa 和642 MPa，符合抗拉伸標(biāo)準(zhǔn)，拉伸值大于520 MPa。

（3）彎曲試驗。根據(jù)規(guī)范，當(dāng)鋼板的厚度大于10 mm 時，可利用4 個側(cè)彎試驗代替背彎和面彎試驗，試驗結(jié)果符合相關(guān)規(guī)范。

（4）沖擊試驗。針對焊縫中心以及熔合線開展沖擊實驗分析，采用V 形缺口試樣，參數(shù)為10 mm×10 mm×55 mm，設(shè)置20 ℃為實驗溫度。12Cr2MoG 鋼材在接頭性能和熱影響區(qū)沖擊性能，嚴(yán)格按照鋼板沖擊要求，使沖擊功高于47 J，沖擊功應(yīng)高于36 J。

（5）宏觀檢查以及硬度分析。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，焊縫完全焊透且焊偏量符合標(biāo)準(zhǔn)要求，無明顯夾渣、裂紋等缺陷問題。圖2 為焊接接頭硬度測試點位置，硬度測試結(jié)果顯示，12Cr2MoG焊接采用手動埋弧焊工藝，熱影響區(qū)和焊縫硬度值滿足相關(guān)要求。

圖2 焊接接頭硬度測試點位置

（6）分析熔敷金屬組織。熔敷金屬韌性值差別較大，是由于微觀組織發(fā)生明顯變化，不同的輸入值導(dǎo)致熔敷組織出現(xiàn)微觀變化，因此采用不同熱輸入值會使焊后熔敷金屬強(qiáng)度差異明顯。在實驗過程中針對焊接材料可選擇較廣的焊接工藝參數(shù)，焊接熱輸入范圍為20～28.29 kJ/cm，焊接后板材具有良好的韌性和強(qiáng)度。

6 防止手動埋弧焊裂紋產(chǎn)生的有效措施

（1）控制焊接拉力的不良作用，合理選擇坡口形式，為減少焊接應(yīng)力，可選擇較小坡口間隙，因為較大的坡口間隙會使焊縫熔池在收縮時產(chǎn)生較大收縮，增加焊接拉應(yīng)力。在鋼板劃線位置進(jìn)行板料棱角度的參數(shù)控制，控制坡口間隙組隊，卷制成形，防止局部間隙較大。在焊接部燒穿的基礎(chǔ)上，盡可能減少背面點固焊長度、點數(shù)，有效減少坡口局部橫向剛度，減少焊接拉應(yīng)力的產(chǎn)生。

（2）焊件預(yù)熱。預(yù)熱是防止裂紋產(chǎn)生的有效措施，能夠使焊接接頭位置金屬均勻受熱，在焊接過程中，可沿焊縫縱向減緩溫度變化，利于減小內(nèi)應(yīng)力，尤其是在外界環(huán)境溫度降低、板材厚度大的情況下，需進(jìn)行板材預(yù)熱處理。

（3）選擇合理焊接工藝。焊接參數(shù)的選擇，將會在一定程度上影響焊縫成形，如果焊縫成型窄且深，雜質(zhì)集中于樹枝晶體對接部位，焊縫抵抗拉應(yīng)力能力弱，會有應(yīng)力產(chǎn)生，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋，因此，應(yīng)合理控制焊縫成型形狀，可從手動埋弧焊焊接參數(shù)匹配入手，在保持能量不變的基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高電弧電壓值，減小焊接電流值，提升焊接速度，適當(dāng)增大焊絲直徑，焊接環(huán)縫過程中，可改變焊件和焊絲相對位置。

7 結(jié)語

本研究采用12Cr2MoG 鋼材進(jìn)行手動埋弧焊接，經(jīng)過磁粉檢測，超聲波檢測以及X 射線檢測，最終焊接滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。對焊縫化學(xué)成分進(jìn)行分析，同時開展彎曲試驗、拉伸試驗、硬度性能測試、沖擊韌性試驗，結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，可獲得12Cr2MoG材料埋弧焊接工藝最佳參數(shù)。采用該焊接工藝，可實現(xiàn)鋼管批量化生產(chǎn)，最終產(chǎn)品符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，能夠提升生產(chǎn)效率。