摘要：通過對16MnR低合金鋼的特性及焊接特點進行分析。確定合適的焊接方法和工藝措施，選擇合理的焊接材料，制定焊接工藝評定。焊接質(zhì)量達到了設(shè)備的設(shè)計要求。
　　
　　關(guān)鍵詞：16MnR低合金鋼，厚壁，焊接，壓力容器
　　前言
　　隨著社會的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)建設(shè)中對厚壁壓力容器的需求越來越多，由于壓力容器質(zhì)量要求高，而焊接是壓力容器制造中的關(guān)鍵工序，焊縫質(zhì)量直接影響到壓力容器的運行和安全。一些大型企業(yè)通常會采用高科技焊接設(shè)備來完成此類設(shè)備的焊接工作，但我公司目前現(xiàn)有的設(shè)備為普通埋弧自動焊機，因此我們在制作厚壁壓力容器時，須從焊接工藝上著手，嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)范，以保證設(shè)備質(zhì)量滿足設(shè)計要求。
　　1、設(shè)備概況
　　保溫罐是氧化鋁廠溶出系統(tǒng)的主要生產(chǎn)設(shè)備，該設(shè)備設(shè)計壓力為8.7MPa，設(shè)計溫度為295℃，介質(zhì)為腐蝕較強的鋁土礦堿性礦漿。封頭、筒體采用16MnR正火狀態(tài)鋼板，厚度為90mm，內(nèi)直徑為2200mm。人孔、法蘭、接管均采用JB4726-2000標(biāo)準(zhǔn)的16MnⅢ級鍛件（正火）。設(shè)備總高度為19532mm，總重量為95.5噸。設(shè)計要求該設(shè)備制造完畢后A、B焊縫須經(jīng)100%射線探傷，檢查結(jié)果符合JB4730-2005Ⅱ級合格，合格后再以每條焊縫長度的20%進行超聲波檢測復(fù)驗，按JB4730-2005標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級合格。C、D類焊縫需進行磁粉檢測，按JB4730-2005標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級合格。焊后設(shè)備須進行整體熱處理，以消除焊接應(yīng)力。其技術(shù)特性詳見表一。
　　表一技術(shù)特性表

　　保溫罐主要由兩個橢圓封頭、簡體、人孔以及各種工藝接管組成。該設(shè)備屬Ⅱ類壓力容器，按GB150-1998《鋼制壓力容器》進行制造、試驗和驗收，并符合《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的規(guī)定。由于設(shè)備工作壓力大，制造要求高，因此焊接工作成為該設(shè)備制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。
　　2、 焊接性分析
　　16MnR鋼是低合金高強鋼，其化學(xué)成份及機械性能見表二、表三。
　　表二：16MnR鋼化學(xué)成分（%）
　　
　　表三：16MnR鋼力學(xué)性能

　　根據(jù)國際焊接學(xué)會提供的碳當(dāng)量計算公式可計算出16MnR鋼的碳當(dāng)量為：Ceq=c=++(%)
　　=0.20+1.6/6%=0.47%
　　根據(jù)經(jīng)驗，當(dāng)Ceq=0.4～0.60%時，鋼材的淬硬傾向逐漸明顯，隨著板厚的增加，其冷裂傾向也隨之增大，同時，厚壁壓力容器焊接時，焊縫金屬熱裂紋易于在高稀釋率焊道中出現(xiàn)，焊接性較差。需采取適當(dāng)措施，選擇適當(dāng)?shù)钠驴谛问胶秃附訁��?shù)，制定合適的焊接工藝，才能進行焊接。
　　3、保證焊接質(zhì)量的措施
　　3.1焊接方法
　　根據(jù)16MnR鋼的特點和板厚，A、B類焊縫采用手工焊打底，埋弧自動焊填充及蓋面，多層多道焊接；背面清根，將手工焊部份清除，然后用埋弧自動焊填充蓋面。C、D類焊縫采用手工電弧焊，多層多道焊接。本文不多加闡述。
　　3.2焊接材料
　　為了保證焊縫性能同母材匹配，焊縫成分應(yīng)力求與母材相近。但為了防止焊縫有較大的熱裂傾向，焊縫含碳量往往比母材要低一些。焊縫金屬的強度不宜過高，否則將導(dǎo)致焊縫的塑性，韌性以至抗裂性能下降。
　　參考JB/T4709-2000《鋼制壓力容器焊接規(guī)程》的推薦，焊絲選用H10Mn2,焊劑選用HJ431，焊條選用J507.
　　3.3坡口的選擇
　　
　　筒體對接環(huán)縫及筒體與封頭對接環(huán)縫采用上圖所示坡口型式；筒體對接縱縫原采用上對稱的X型或U型坡口型式，但在進行焊接試驗時，內(nèi)縱縫焊完后，以外縱縫的首道或第二道焊縫后，馬上在焊縫中心與焊縫平行部位出現(xiàn)裂紋。經(jīng)分析為凝固裂紋。凝固裂紋是一種熱裂紋，出現(xiàn)在焊縫金屬凝固前后。這是由于埋弧自動焊熔深大，熔池金屬中母材的有害元素滲入過多，較易偏析出低熔點的共晶體，這些低熔點的共晶往往最后凝固，凝固后強度也較低，而且厚壁的X型坡口拘束應(yīng)力較大，當(dāng)首道外縱縫焊接時，巨大的剛性拘束作用將焊縫拉開，因此外縱縫根部易于出現(xiàn)凝固裂紋。對此，我們修改了坡口型式，坡口型式選用上圖的不對稱坡坡口形式，重新進行評定，將正面焊接時根部的缺陷在反面焊接前清除掉，減少了凝固裂紋的傾向，同時減少了焊接時的根部缺陷。獲得良好的焊接接頭質(zhì)量。
　　3.4焊接工藝參數(shù)的確定
　　焊接工藝參數(shù)確定，是根據(jù)16MnR的焊接特性及其厚度比較厚的特點，經(jīng)過多次焊接工藝評定后，確定了如下的焊接工藝參數(shù)，作為產(chǎn)品施焊的指導(dǎo)。
　　焊接參數(shù)表

　　對接縱、環(huán)縫的焊接
　　所有筒體的對接縱、環(huán)縫以及與封頭對接的環(huán)縫，均采用手工電弧焊打底，埋弧自動焊填充焊接、蓋面，筒體縱縫帶產(chǎn)品試板一塊。
　　3.1.3焊接工藝參數(shù)的選擇
　　（1）環(huán)縫的焊接
　　先施焊內(nèi)環(huán)縫，采用手工電弧焊，φ4mm，E5016焊條打底，電流160~180A，電弧電壓22~24V，然后采用自動埋焊進行填充蓋面，首道焊接采用450~500A電流，28~30V電壓，焊接速度400~450mm/min。以后參照上表參數(shù)進行多層多道焊接。然后進行外環(huán)縫焊接，先用碳弧氣刨清根，將內(nèi)面手工焊部份清除干凈，采用埋弧自動焊填充蓋面，H10Mn2+HJ431，焊絲直徑φ4mm，首道焊縫焊接電流550A，電弧電壓30～32V，焊接速度450mm/min，其余焊道焊接電流650A，電弧電壓32~34V，焊接速度450mm/min，蓋面焊接電流650A，電弧電壓34~35V，焊速450mm/min。
　　3.1.4焊縫質(zhì)量及焊接試板接頭的力學(xué)性能
　　按上述焊接工藝規(guī)范參數(shù)施焊的焊縫，按JB4744-2000《鋼制壓力容器產(chǎn)品焊接試板的力學(xué)性能檢驗》標(biāo)準(zhǔn)評定，均達到合格。產(chǎn)品試板焊接接頭力學(xué)性能試驗的結(jié)果見表6。
　　表六產(chǎn)品試板焊接接頭力學(xué)性能

　　3.3焊前準(zhǔn)備
　　為確保焊接質(zhì)量，焊前還需作好下列準(zhǔn)備工作：
　　（1）在施焊前，焊絲、焊劑必須進行烘焙，烘焙溫度為350～450℃，保溫時間為2h。烘焙后放在100～150℃的恒溫箱內(nèi)，隨用隨取：HJ431進行200～250℃烘焙，保溫時間2小時，隨用隨取。避免因焊材的受潮在焊接過程中產(chǎn)生氣體，從而使焊縫產(chǎn)生氣孔。
　　（2）用風(fēng)動手砂輪機清除坡口及周圍25mm以內(nèi)的油、銹、氧化皮等。避免焊接時產(chǎn)生氣孔、夾渣等缺陷。
　　（3）手工電弧焊選用AX-320直流焊機，埋弧自動焊先用MZ-100型直流埋弧焊機，均采用反極性。
　　3.4施焊過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)
　　3.4.1預(yù)熱溫度的選擇
　　預(yù)熱是防止裂紋的有效措施,也有助于改善接頭性能，根據(jù)設(shè)備的材質(zhì)及鋼板厚度，參照J(rèn)B/T4709-2000，選擇預(yù)熱溫度為≥150℃。且保證整個焊件在焊接過程中的層間溫度不低于預(yù)熱溫度。如有低于預(yù)熱溫度時，必須采用輔助加熱措施。
　　3.4.2焊接參數(shù)的控制
　　焊接時,應(yīng)嚴(yán)格參照工藝評定確定的參數(shù)，選擇正確的焊接電流、焊接速度和裝配間隙。避免因焊接電流過小或焊接速度太快，基本金屬未得到充分熔化而產(chǎn)生未熔合、未焊透現(xiàn)象。
　　3.4.3焊后保溫及后熱
　　由于本設(shè)備的材質(zhì)為16MnR，屬冷裂紋敏感性較大的低合金鋼，且鋼板厚度達90mm，卷制后的拘束度較大。因此，設(shè)備的縱環(huán)縫焊接完成后應(yīng)進行后熱處理。后熱溫度在200~350℃，保溫時間在0.5小時后,保溫緩冷，以防止冷裂紋的產(chǎn)生。
　　4熱處理
　　設(shè)備焊接完畢后，為清除焊接應(yīng)力，采用整體爐內(nèi)退火處理，產(chǎn)品試板隨設(shè)備同爐進行熱處理，并進行產(chǎn)品試板的力學(xué)性能檢驗。
　　5結(jié)束語
　　因該設(shè)備在制造過程中，選擇了正確的工藝，并注意關(guān)鍵環(huán)節(jié)的控制，因此，設(shè)備經(jīng)省技術(shù)監(jiān)督局的監(jiān)檢，一次合格率達100%，設(shè)備達到了標(biāo)準(zhǔn)和圖紙設(shè)計要求。這也證明了制造中擬定的焊接工藝科學(xué)、合理性。
　　
　　參考文獻
　　1《鋼制壓力容器》GB150-1998
　　2《鋼制壓力容器焊接工藝評定》JB4708-2000
　　3《鋼制壓力容器焊接規(guī)程》JB4709-2000
　　4《鋼制壓力容器產(chǎn)品焊接試板的力學(xué)性能檢驗》JB4744-2000
　　5《焊接手冊》機械工業(yè)出版社