530mm超厚20MnMoNb鍛件的窄間隙埋弧焊

徐然

（四川西冶新材料股份有限公司，四川成都611700）

530mm超厚20MnMoNb鍛件的窄間隙埋弧焊

徐然

（四川西冶新材料股份有限公司，四川成都611700）

對深海試驗裝置930壓力筒的主體材料20MnMoNb鍛件進行焊接性分析，針對530mm超厚鍛件試板的焊接結構，制定合適的焊接工藝方案，預防焊接缺陷的產生。采用窄間隙埋弧焊焊接試板，試板經焊后熱處理后進行無損檢測和力學性能檢測，檢測結果均符合設計要求，焊縫一次合格，完成了焊接工藝評定，為930壓力筒的制造奠定了堅實的基礎。對焊縫進行微觀組織分析，發現其中有細小的針狀鐵素體析出，細化了粗大的晶粒，這對焊接接頭的力學性能有一定的改善作用。本次焊接工藝評定的完成，對超壁厚焊接結構的問題解決提出了新的思路。

窄間隙埋弧焊；530 mm厚度；20MnMoNb鍛件

0 前言

930壓力筒是我國目前最大的模擬深海壓力試驗裝置，壓力筒內徑3 000 mm，最大壁厚530 mm。筒內能夠提供90MPa壓力，即最高模擬9000m深海壓力環境，為我國深海裝備的研發提供了必要的壓力環境試驗平臺，對我國深海資源的開發意義重大。

930壓力筒設備的主體材料為20MnMoNb大型鍛件，筒體壁厚達到530 mm，超厚結構的焊接操作難度大，也會帶來很大的焊接殘余應力[1]；同時由于20MnMoNb材料本身就具有淬硬傾向，所以必須采取措施預防焊接裂紋的產生。

為保證930壓力筒環焊縫的焊接質量，需要在產品制造前按照NB/T47014-2011《承壓設備用焊接工藝評定》[2]標準要求完成焊接工藝評定。焊接工藝評定過程為：根據20MnMoNb母材的焊接性，制定焊接工藝方案，施焊試板和制取試樣，并對焊接接頭進行無損檢測和理化性能檢測，分析這些檢測結果是否符合設計技術條件的要求，最后形成焊接工藝評定報告對該焊接工藝方案進行評價。

1 材料的焊接性

1.1 20MnMoNb鍛件的化學成分

20MnMoNb鍛件化學成分如表1所示。

表1 530 mm厚20MnMoNb鍛件的化學成分Table 1 Chemic al component of 530 mm thickness 20-MnMoNb forging %

冷裂紋敏感性指數為

根據經驗，當Pcm＞0.25時，材料會表現出較明顯的冷裂紋敏感性，焊接時要采取預熱、后熱等措施。將表1中的化學成分數據代入式（1），Pcm=0.339＞0.25，所以20MnMoNb鍛件母材對焊接冷裂紋較為敏感。

熱裂紋指數計算公式為

當U·C·S＜25時，一般不會產生熱裂紋。將表1中的數據代入式（2），U·C·S=39.53，所以20MnMoNb鍛件母材對焊接熱裂紋也比較敏感。

1.2 20MnMoNb鍛件的力學性能

由于20MnMoNb鍛件的厚度較大，其心部很難獲得非常細化的晶粒。由圖1可知，20MnMoNb鍛件試板金相組織為較粗大的貝氏體，其力學性能如表2所示。材料的強度較高，延伸率較低，較為脆硬。

2 焊接工藝方案制定

2.1 方案制定原則

用于評定的焊接工藝方案中的重要變素、附加重要變素、非重要變素等都與正式產品筒體的焊接條件盡可能相同。這樣一旦本次焊接工藝評定合格，該焊接工藝方案就能直接用于正式產品的筒體環焊縫焊接，具有很強的指導意義。

2.2 試板的結構形式

圖1 530 mm厚20MnMoNb鍛件試板的顯微組織Fig.1 Macrostructure of 530 mm thickness 20MnMoNb forging

表2 530 mm厚20MnMoNb鍛件的力學性能Table 2 Mechanical property of 530 mm thickness 20-MnMoNb forging

20MnMoNb鍛件焊接工藝評定試板尺寸規格為530 mm×400 mm×600 mm，共2件，其厚度與930壓力筒的筒體相同，評定試板組對后用防變形工裝在兩側焊接固定，同時在坡口兩端焊接引、收弧板，如圖2所示。

圖2 焊接工藝評定試板Fig.2 Welding procedure qualification test plate

2.3 試板的坡口形式

為減少焊縫金屬的填充，盡量降低焊接過程中氫的積累和焊接應力，設計了單面窄間隙焊接坡口，整條焊縫采用窄間隙埋弧焊，坡口形式如圖3所示。由于坡口很窄，在焊接過程中一旦出現夾渣、未熔合、裂紋等焊接缺陷，無法采用砂輪在深坡口內打磨清除缺陷，機加工的刀具也無法滿足坡口內加工的剛度要求，除非將整條焊縫切割開重新返工。所以要求必須一次焊接合格。

圖3 530 mm深窄間隙焊接坡口示意Fig.3 Diagrammatic drawing of 530 mm depth narrow welding gap

2.4 焊接設備的改造

為實現530 mm深窄間隙坡口焊接，對普通的窄間隙埋弧自動焊機進行設備改造，更換成600 mm深坡口機頭，如圖4所示。

圖4 600 mm深坡口窄間隙焊機機頭Fig.4 600 mm depth head of narrow gap welding machine

2.5 焊接材料的選擇

為降低焊接缺陷產生的傾向，焊接材料必須具有良好的焊接工藝性，主要是深坡口的脫渣性以及焊道上不能存在粘渣。經過工藝試驗的篩選，選用進口焊材Union S 3NiMo1 φ4.0焊絲配UV420TTR焊劑。如表3所示，焊材的熔敷金屬中C、P、S等元素的含量較低，能夠有效降低焊縫的淬硬傾向，預防焊接冷、熱裂紋的發生。

2.6 預熱、層間溫度和后熱

預熱和后熱可以縮小試板在焊接過程中的溫度梯度，降低焊接應力，后熱還可以促使焊縫中殘余的擴散氫逸出，降低產生焊接冷裂紋的傾向。采用較低的層間溫度能夠有效預防熱裂紋的產生。

表3 蒂森焊材的熔敷金屬化學成分Table 3 Chemical component of deposited metal of Thyssen welding material %

由于工藝評定試板厚度較大，要求控制預熱溫度不低于180℃，層間溫度不超過250℃。后熱參數為（300℃～350℃）×2 h。

2.7 焊接工藝參數

根據20MnMoNb鍛件母材的強度、試板厚度和預防焊接裂紋等因素，設計了窄間隙埋弧焊的焊接工藝參數，如表4所示。

表4 530 mm厚20MnMoNb試板焊接工藝參數Table 4 Welding parameter for 530 mm thickness 20-MnMoNb test plate

2.8 焊后熱處理

焊后熱處理能夠有效消除焊接殘余應力[4]?？紤]到930壓力筒產品焊接的焊后熱處理要求，先分割焊后的工藝評定試板，然后按照以下兩種熱處理工藝分別對分割開的兩塊試板進行焊后熱處理。最大焊后熱處理：Max.PWHT（590±10）℃×20+2h；最小焊后熱處理：Min.PWHT（590±10）℃×8+1h。

3 評定試板的焊接

按照上述焊接工藝方案實施工藝評定試板的焊接，如圖5所示，采取以下措施保證焊接質量：

（1）嚴格按照工藝方案要求控制焊接工藝參數。

（2）由于試板很厚，不可能在短時間內焊完。為防止冷裂紋的產生，在中間停焊時一直保持試板溫度在180℃以上。

（3）每一道焊道焊接完后都仔細清理焊渣，觀察焊道成形和側壁熔合是否良好，是否有缺陷產生。

圖5 焊接工藝評定試板的焊接過程Fig.5 Welding process of the qualification test plate

4 焊縫無損檢測

在工藝評定試板焊接完成并經歷焊后熱處理后，需按設計技術條件要求對焊縫進行無損檢測。因試板厚度太大，無法采用常規X射線（RT）檢測方法檢測焊縫內部，按NB/T47013-2010《承壓設備無損檢測》標準，采用超聲成像（TOFD）和超聲波（UT）檢測方法對焊縫進行了100%范圍的檢測，檢驗結果為Ⅰ級（合格），焊縫一次焊接合格。

5 焊接接頭的力學性能檢測

分別對兩件經歷不同焊后熱處理的20MnMoNb試板在全截面厚度上分層取樣，進行焊接接頭的拉伸和側向彎曲試驗。在試板焊縫中心的上表面、焊縫中心T/2處、焊縫中心3T/4處、熱影響區T/2處取樣，進行沖擊試驗。這些力學性能試驗的取樣數量、試驗方法和合格指標的判定等符合NB/T47014-2011標準的要求。焊接接頭的力學性能如表5所示，各項數據均滿足設計技術條件的要求。力學性能檢測后的試樣如圖6所示。

表5 530 mm厚20MnMoNb試板焊縫的力學性能Table 5 Mechanical property of the weld of 530 mm thickness 20MnMoNb test plate

圖6 力學性能檢測試樣Fig.6 Lateral bending specimens

6 焊接接頭組織分析

6.1 宏觀截面

焊縫全截面的焊接形貌如圖7所示，焊縫填充均勻細膩，晶粒細小，沒有粗大的柱狀晶，以及氣孔、夾渣、未焊透、裂紋等可見缺陷。

圖7 530 mm厚20MnMoNb工藝評定試板焊縫全截面Fig.7 Total weld cross-section of 530 mm thickness 20-MnMoNb test plate

6.2 金相組織

對焊接接頭進行拋光、腐蝕觀察其金相組織，如圖8所示。經過窄間隙埋弧焊熱源的熱循環作用，以及不同焊層之間的自回火作用，相對于母材區域較為粗大的貝氏體晶粒，熱影響區的晶粒被較小的針狀鐵素體細化。焊縫中心的晶粒也比較細小，針狀鐵素體析出、長大明顯。這些針狀鐵素體的出現使得以往在焊后沖擊韌性劇烈下降的焊縫性能得到了一定程度的改善[5]。

7 結論

（1）分析530 mm超厚20MnMoNb鍛件的焊接性，制定焊接工藝評定試板的焊接工藝方案。在焊接設備、焊接材料、焊接工藝等方面采取有效的技術措施，克服了材料化學成分和焊接結構帶來的焊接冷、熱裂紋等缺陷傾向，完成試板的焊接。焊縫一次焊接、探傷合格，各項力學性能數據均滿足設計技術條件的要求。

（2）分析焊縫金相組織，發現焊縫熱影響區和焊縫中心有不同取向的針狀鐵素體析出，細化了母材粗大的貝氏體晶粒，這對焊縫的強度和韌性都有一定程度的改善作用。

（3）試驗結果表明，530 mm超厚20MnMoNb鍛件的焊接工藝評定合格，焊接方案可以用于930壓力筒產品筒體環焊縫的焊接。此項焊接工藝評定為930壓力筒正式產品的制造奠定了堅實的基礎，同時對超壁厚深坡口焊接結構的焊接技術提出了新的思路。

圖8 接頭區域顯微組織Fig.8 Macrostructure of weld joint

[1]王艷飛，耿魯陽，鞏建鳴，等.EO反應器20MnMoNb特厚度管板拼焊殘余應力與變形有限元模擬[J].焊接學報，2012，33（11）：63-66.

[2]NB/T 47014-2011，承壓設備焊接工藝評定[S].

[3]孫寶珍.壓力容器焊接結晶裂紋與防止措施[J].機械管理開發2004，79（4）：62-65.

[4]王艷飛，耿魯陽，鞏建鳴.熱處理對超厚板焊接殘余應力影響的數值分析[J].南京工業大學學報（自然科學版），2013，35（1）：66-70.

[5]舒瑋，王學敏，李書瑞，等.焊接熱影響區針狀鐵素體的形核長大及其對組織的細化作用[J].金屬學報，2011，47（4）：435-441.

Narrow-gap submerged arc welding for 530mm thickness 20MnMoNb forging

XU Ran
（Sichuan Xiye New Material Co.，Ltd.，Chengdu 611700，China）

In this paper,the weldability of 20MnMoNb forging is analyzed.It is the main material of the undersea test equipment 930 pressure tank.An appropriate welding technology plan is formulated to avoid welding defects for the welding structure of 530 mm super thickness forging test plate.And the narrow-gap submerged arc welding is adopted to complete the test.After PWHT，the welds of test plate pass the NDT test and mechanical properties test without any repair，the results meet the design requirement，which means the test plate passes the welding procedure qualification.This lays a solid foundation for the manufacture of 930 pressure tank.Besides，the microstructure of weld is analyzed and many tiny acicular ferrite precipitates are found.These precipitates refine grain and improve the mechanical property of welded joint.The achievement of this welding procedure qualification puts forward a new idea for the welding structure with super wall thickness.

narrow-gap submerged arc welding；530 mm thickness；20MnMoNb forging

TG409

A

1001－2303（2017）04－00

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.04.

獻

郭吉昌，朱志明，閆國瑞，等.基于UG的弧焊機器人離線編程系統開發[J].電焊機，2017，47（01）：1-6.

2016-07-29；

：2017-04-10

徐 然（1983—），男，黑龍江齊齊哈爾人，工程師，碩士，主要從事焊接材料的研發工作。