16MnDR薄板埋弧焊工藝研究

曹立宏郭一 霍紀鵬

1.邢臺市鍋爐壓力容器有限責任公司

2.邢臺市特種設備監督檢驗所

某單位為內蒙古托克托電廠制造3臺16MnDR 材質，δ=10mm薄板壓縮空氣儲罐，以往我們一直采用焊條電弧焊，焊條電弧焊接頭質量不易穩定且焊縫成型不好，極易產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上，制定了保證焊接接頭低溫韌性的焊接工藝參數和措施，在試驗的基礎上修正了對焊絲錳含量的要求，成功地進行了產品的焊接。

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，合金元素的總含量不超過5%，其碳當量在0.27%～0.57%之間，由于碳當量不高，淬硬傾向較小，室溫下焊接時不容易產生冷裂紋；同時由于其硫和磷等雜質元素含量控制的較低（均低于0.030%），也不易產生熱裂紋。因此16MnDR焊接性良好。

對于容器來講，16MnDR在焊接時至關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。碳元素強烈的影響著低溫韌性，隨著碳含量增加，鋼的冷脆轉變溫度急劇上升；錳對改善低溫韌性十分有利，隨著錳含量增加，鋼的冷脆轉變溫度下降。另外硫和磷等微量元素都會對鋼的脆性轉變溫度產生不良影響。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，避免熱影響區晶粒長大，形成所謂的粗晶區脆化而韌性降低。粗晶區脆化一般產生在接頭熱影響區的過熱區（即熱影響區被加熱到1100℃ 以上直至熔點以下的區域）。產生原因是采用了較大的焊接線能量，粗晶區晶粒長大，馬氏體組織比例增大，從而接頭的韌性降低。控制焊接線能量必須合理選擇焊接工藝參數，包括焊接電流、電弧電壓 和焊接速度等焊接規范參數的匹配。為了獲得成型良好焊的焊接接頭，還必須適當控制焊接接頭形狀系數和熔合比這兩個指標。

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

2 焊接工藝試驗

16MnDR中厚鋼板（δ≥16）的埋弧焊工藝較為成熟，應用也較為廣泛。但16MnDR薄板使用埋弧焊的很少。因為在容器制造中，除了要求內部質量和低溫韌性外，按照GB150標準對焊縫的余高要求不得超過1.5mm。

為此我們選擇δ=10mm的鋼板進行焊接工藝試驗。

16MnDR鋼板供貨狀態為正火，δ=10mm，符合GB3531-96標準。單件試板尺寸 500×125×10。

16MnDR δ 10mm化學成分見下表：

2.1 焊絲和焊劑的選擇

1）焊絲

選擇H10Mn2。因為是薄板焊接，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應仔細清理去除。

2）焊劑

采用堿性燒結焊劑，因為堿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，燒結焊劑可以加脫氧劑，脫氧充分，同時還可以加入合金劑，增強合金作用。焊劑選用SJ102。

根據國際焊接學會IIW推薦的公式

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

計算得出：SJ102符合B＞1.5，同時SJ102為氟堿型燒結焊劑。

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 坡口設計

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

為了保證焊接試驗能夠順利進行，選擇性能優良的美國LICOLN IDEALARC DC-1000型埋弧焊機。

2.4 焊接工藝參數的選擇

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，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和熔合比指標。單獨增減任一參數，都會造成焊接缺陷，對焊縫產生不利影響。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，根據焊絲直徑φ3.0mm，選擇焊接電流350A～450A，電弧電壓28～36V。

具體參數為正面（開坡口側），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，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

因為是薄板焊接，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

焊接時需要在背面（相對焊接側）采用焊劑作為襯墊。

3 焊后熱處理

焊后熱處理采用消除應力退火，文獻表明：在進行消除應力熱處理時，當加熱溫度處于回火脆性敏感溫度區間時，會析出脆性相，使低溫韌性顯著降低。因此避免產生回火脆性，保證接頭的低溫韌性，選擇退火溫度600～620℃。

4 焊接檢查與結果

按上述試驗條件，焊接試件，焊后熱處理。焊縫余高實測：1.0mm～1.5mm，未見其他外觀缺陷，對接頭內部進行100%RT，達到II級要求。

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

第一次低溫沖擊試驗結果為：10、9、16。結果不符合要求。

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，于是對焊絲的化學成份進行了復驗，焊接所用焊絲Mn含量為1.51%，符合標準要求。之后又進行了用錳含量（復驗值）為1.60%、1.68、1.73%、1.82%的焊絲在相同焊接條件和試驗條件下的對比試驗，其后的低溫沖擊韌性結果均滿足標準規定。

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

5 結語

應用上述工藝，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，到內部質量，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需求。

[1]俞尚知. 焊接工藝人員手冊. 上海科學技術出版社，1992.