Q345R與20鋼焊接工藝研究及生產應用

薛根奇 胡延偉 袁吉增

摘要：分析Q345R與20鋼的焊接性能，擬定TIG+MAG焊接工藝規程，確定最佳焊接規范參數，進行了焊接工藝試驗及評定，并采用滲透檢測、射線檢測驗等方法驗證焊縫的表面及內部質量，通過機械性能試驗驗證焊接接頭的性能。結合高壓電極鍋爐本體與支管焊接結構形式，將試驗研究結果應用于高壓電極鍋爐本體與人孔等支管的焊接，按NB/T 47013.2、NB/T 47013.5的要求對焊縫進行超聲檢測及滲透檢測，檢測結果符合相應標準的I級質量要求，焊接效果良好。

關鍵詞：異種鋼焊接;Q345R鋼;MAG焊;焊接工藝;生產應用

中圖分類號：TG457.1? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）12-0067-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.13

0? ? 前言

為實現“ 雙碳 ”目標，減少石化能源的消耗，擴大風電、光電等清潔能源的消納，高壓電極鍋爐作為集中清潔供暖、火電廠的靈活性調峰、工廠工藝供熱的重要設備正逐步擴大應用。高壓電極鍋爐的重要元件鍋爐主體筒體及封頭采用Q345R鋼，爐體上的各支管一般采用20鋼，筒體或封頭與支管之間采用完全焊透的插接結構或騎座結構如圖1所示。Q345R低合金高強鋼是用途最廣、用量最大的壓力容器專用鋼板，具有良好的綜合力學性能和工藝性能，被廣泛用于鍋爐、石油、化工、電站等行業，一般用于制作鍋爐本體、熱換器、反應器、分離器、導氣管、液化氣罐、氣包、液化石油氣瓶、水電站高氣管、水輪機蝸殼等設備及構件。20鋼為優質碳素鋼，其強度低，韌性、塑性和焊接性均較好。

1 Q345R及20鋼焊接性分析

Q345R鋼為低合金高強鋼，20鋼為優質碳素鋼。根據GB713-2014《壓力容器用鋼板》、GB/T 711-2017《優質碳素結構鋼熱軋鋼板和鋼帶》要求提供Q345R和20鋼的實測化學成分，如表1所示。

1.1 Q345R鋼及20鋼焊接冷裂紋傾向分析

化學成分影響鋼的淬硬傾向及焊接冷裂紋傾向，冷裂紋傾向通常用碳當量CE或Ceq來評價[1]。

當Ceq≤0.4% 焊接時基本無淬硬傾向，焊接性優良，焊前不需要預熱;當Ceq=0.4%～0.5%時，淬硬傾向尚不算嚴重，焊接性能尚可，但隨板厚的增加，需要一定的預熱措施;當Ceq>0.5%時，淬硬傾向逐漸顯著，冷裂傾向隨之增加，為避免產生冷裂紋，需要采取嚴格的工藝措施，如焊前預熱、控制線能量、焊后熱處理等[2]。

焊接冷裂紋不僅取決于化學成分，而且還與其淬硬性、拘束度擴散氫的含量有關，焊接研究中多數采用Pcm來評估低合金高強鋼焊接的冷裂紋敏感性，其公式為

當Pcm≤0.20%時，無需預熱就能防止焊縫根部產生裂紋（焊縫根部在拘束條件下施焊時最易產生冷裂紋）[3]。工程經驗顯示，當Pcm≤0.25%時，材料對冷裂紋敏感性不明顯[4]。

碳當量CE或Ceq適應于含碳量較高（≥0.18%）的鋼材，裂紋敏感系數Pcm適用于含碳量比較低（≤0.17%）的鋼材[2]。

將表1中Q345R鋼實測的化學成分代入式（1）～式（3），得到Pcm=0.236%，CE=0.438%，Ceq=0.438%，裂紋敏感系數小，碳當量在0.4%左右，淬硬和冷裂傾向小，但由于含有一定量的合金元素，其淬硬、冷裂傾向都比低碳鋼大一些。因此常溫下焊接 Q345R 時，采取合適的焊接材料，常規工藝方法（無需預熱），焊縫及熱影響區一般不會出現淬硬組織，焊接冷裂紋產生的機率較小;焊接工件厚度較大時，需要適當控制焊接熱輸入和道間溫度，避免焊縫及熱影響區出現馬氏體組織，必要時進行焊后熱處理消除焊接應力。

將表1中20鋼實測的化學成分代入式（1）～式（3），得到Pcm=0.239%，CE=0.305%，Ceq=0.302%，裂紋敏感系數小和碳當量都較小，材料的淬硬傾向和冷裂傾向小，焊接性能優良，采取常規的工藝方法不需要預熱，可獲得較好的焊接接頭。

1.2 熱裂紋傾向分析

低合金高強鋼的熱裂敏感性一般可用熱裂敏感系數HCS來評定，HCS≤4.0時，可以防止熱裂紋，HCS>4.0表示該合金鋼在某些工藝情況下焊接時易產生熱裂紋。

Q345R碳含量較低，且Mn含量高，Mn/S比較高，具有較好的抗熱裂性。將Q345R化學成分代入式（4），HCS=0.971，熱裂紋敏感性小，選取適當的焊接材料及焊接工藝可以防止焊接熱裂紋的產生。20鋼含碳量低，合金元素少，熱裂敏感性比較低。

1.3 再熱裂紋傾向分析

焊縫再次加熱產生的裂紋為再熱裂紋，一般產生在過熱粗晶部位，母材、焊縫和熱影響區的細晶區均不易產生再熱裂紋。不是所有的鋼材和合金都具有再熱裂紋傾向，普通的碳素鋼和固溶強化的金屬材料一般不會產生再熱裂紋，只有含沉淀強化元素的金屬材料在焊縫熔合線附近易產生再熱裂紋。試驗研究表明，Cr、Mo、V、Ti、Nb元素含量對再熱裂紋的影響較大，可用經驗公式PSR評價再熱裂紋傾向，PSR>0時易產生再熱裂紋。

將Q345R化學成分含量代入式（5），經計算得PSR=-1.13，因此Q345R再熱裂紋不敏感，再次加熱時不易產生裂紋。

綜上分析可知，Q345R與20鋼焊接時不容易產生冷裂紋、熱裂紋以及再熱裂紋，焊接時選擇合適的焊接方法和材料，以及合理的工藝參數，可保證焊縫質量。

2 焊接工藝試驗研究

2.1 試驗材料及焊接方法

電極鍋爐本體材料的厚度12～16 mm，無縫支管的厚度12～20 mm，焊縫的結構形式有T型對接接頭、角接接頭，根據NB/T47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》確定采用16 mm厚Q345R鋼與20鋼進行焊接工藝評定，試件規格為600 mm×120 mm。根據Q345R鋼與20鋼的化學成分及機械性能和相關的研究及規范，采用50 kg級焊絲TGS-50及ER50-6[5～7]，為保證焊接質量和焊接效率，結合鍋爐本體與管座焊接的具體情況，確定采用鎢極氬弧焊（TIG）+熔化極混合氣體保焊（MAG）焊接方法，具體為TIG焊打底，MAG焊填充及蓋面，焊絲質量符合NB/T 47018.3-2017 《承壓設備用焊接材料訂貨技術條件 第3部分：氣體保護電弧焊絲和填充絲》要求。

2.2 焊接設備、試樣坡口及接頭形式

焊接設備：TX-400焊機，YD-500GR3焊機;焊接材料：φ2.4 TGS50，φ1.2 ER50-6;試件規格：600 mm×120 mm×16 mm。

接頭及坡口形式：平焊對接接頭，結合電極鍋爐主體上接管的形式，采用V型坡口，具體焊接坡口及焊接層次如圖2所示。

2.3 焊接工藝及措施

焊接工藝如表2所示。焊前及焊接過程中要注意以下事項[8-9]：（1）徹底清除坡口周圍銹跡、油污、水分;（2）試板兩端裝配對齊，錯邊量小于板厚的1 mm;（3）由于是Y型坡口，單面焊縫，裝配時考慮適當的反變形（約3°）;（4）打底焊保證坡口根部熔透，背面清根要徹底;（5）MAG焊填充及蓋面時坡口兩側要完全熔合，焊接層間對接處的接頭錯開30 mm以上，填充層及蓋面層的厚度控制在4 mm 以下;（6）根據打底焊的情況必要時背面清根后蓋面;（7）蓋面時，確保焊縫與母材圓滑過渡避免咬邊，焊縫成形系數小于0.1。

3 試驗結果及分析

3.1 外觀檢查

試件焊縫經目視檢測，未發現任何氣孔、夾渣、裂紋等表面缺陷。按NB/T 47013.5-2015 《承壓設備無損檢測 第五部分 滲透檢測》進行滲透檢測，檢測結果符合NB/T 47013.5-2015 Ⅰ級質量要求。

3.2 焊縫內部質量檢測

按NB/T 47013.2-2015 《承壓設備無損檢測 第二部分 射線檢測》，AB級檢測技術對焊接試件進行X射線檢測，焊縫內部未發現焊接缺陷，符合Ⅰ級質量要求。同時按NB/T 47013.3-2015 《承壓設備無損檢測 第二部分 超聲檢測》B級檢測技術進行超聲檢測，符合Ⅰ級質量要求。

3.3 焊接接頭機械性能試驗

焊接試件經加工成機械性能拉伸、彎曲、沖擊試樣，進行拉伸試驗、面背彎、沖擊試驗（常溫），試驗結果如表3～表5所示。

異種鋼焊接接頭的抗拉強度一般不低于低強級母材要求即可，Q345R與20鋼的焊接接頭的平均抗拉強度σb=478.3 MPa，大于 GB/T 711規定的20鋼的410 MPa的最低值要求。

標準要求彎曲試驗試件拉伸面上的焊縫和熱影響區內，任何方向不得有單條長度大于3 mm的開口缺陷，面彎和背彎試件表面無裂紋缺陷，符合要求。

對于碳鋼和低合金鋼，標準要求抗拉強度在450～510 MPa的鋼材焊接接頭的沖擊功KV2平均值≥24 J，GB713-2014 要求Q345R鋼母材的沖擊功≥41 J（0 ℃，KV2），GB 711-2017 要求20鋼母材的沖擊功≥34 J（20 ℃，KV2），≥27 J（-20 ℃，KV2）。GB699-2015 優質碳素結構鋼未對沖擊功要求進行要求。Q345R與20鋼的焊接接頭焊縫、Q345R鋼側熔合區、20鋼熔合區平均沖擊功（20 ℃，KV2）分別為：79.67 J、118.3 J、87.3 J，滿足相關標準的要求。

4 生產應用

高壓電極鍋爐的本體封頭材料為16 mm Q345R鋼板壓制成φ2 400 mm的標準封頭，封頭的電極管座為φ273×12 mm的20鋼無縫鋼管，封頭與電極管座形成偏心600 mm的插入式結構。具體結構形式及焊接順序見圖3，其他人孔管座等結構類似。

焊接工藝措施：焊前不預熱，第1層（打底層）TIG焊熔透坡口根部不加或加少量焊絲，焊絲牌號GS-50，第2～4層（填充層）、5～6層（蓋面層）采用MAG焊，焊絲ER50-6，根據第一層的打底情況適當清根后焊接背面第6層（蓋面），具體焊接工藝參數如表6所示，焊接后效果如圖4所示。

焊縫表面清理后進行目視及滲透檢測，未發現氣孔、夾渣、裂紋等表面缺陷，符合NB/T 47013.5-2015Ⅰ級質量要求。同時進行按NB/T 47013.3-2015 B級檢測技術進行超聲檢測，符合Ⅰ級質量要求。

5 結論

（1）Q345R+20鋼焊接時不容易產生冷裂紋、熱裂紋和再熱裂紋，焊接時選擇合適的焊接方法和焊接材料，以及合理的工藝參數，可保證焊縫質量。

（2）Q345R鋼與20鋼焊接時，采用TIG焊打底，MAG焊填充及蓋面，用TGS-50及ER50-6焊絲，并采取適當的焊接工藝及措施。對焊件進行焊接工藝評定，經滲透、射線檢測，焊縫質量符合NB/T47013.5、NB/T47013.2 Ⅰ級質量要求，焊縫焊接接頭的機械性能滿足相關標準的要求。

（3）鍋爐封頭與偏心電極管座的焊接采用適當的焊接工藝，經滲透檢測，未發現氣孔、夾渣、裂紋等表面缺陷，符合NB/T 47013.5-2015Ⅰ級質量要求。同時符合NB/T 47013.3-2015Ⅰ級質量要求。

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