Q345NS耐硫酸露點腐蝕用鋼焊接工藝研究

張燁，余果，尹孝輝

1.馬鋼重型機械制造有限公司 安徽馬鞍山 243000

2.安徽工業大學材料科學與工程學院 安徽馬鞍山 243002

1 序言

近年來，隨著我國冶金技術的發展，以及對環境保護和能源節約的日漸重視，不同品種的耐酸鋼和耐候鋼生產與應用也越來越多，然而對新型耐酸鋼和耐候鋼焊接性的研究仍不足。Q345NS耐硫酸露點腐蝕用鋼（以下簡稱Q345NS鋼）為新型耐候鋼的典型代表，具有良好的耐腐蝕性能。本文基于Q345NS鋼研究其焊條電弧焊（SMAW）和熔化極氣體保護焊（GMAW）焊接工藝，旨在為Q345NS鋼焊接提供工藝指導。

2 試驗材料

SMAW使用E5015-GP（牌號CHE507CuNi）焊條、E5016-G（牌號CHE506NiCrCu）焊條；G M AW使用H08M n S i C u C r N iⅡ（牌號C H W-40CNH）焊絲，對以上兩種工藝進行焊接對比試驗分析。試驗用母材為馬鞍山鋼鐵股份有限公司生產的Q345NS鋼板，其化學成分見表1，力學性能見表2。該鋼屬于耐硫酸露點腐蝕用鋼，在鋼中加入了多種微量元素以保證耐硫酸腐蝕性能。

表1 Q345NS鋼板化學成分（質量分數） （%）

表2 Q345NS鋼板力學性能

國際焊接學會（IIW）所定義碳當量計算公式[1]為

經計算，得出Q345NS鋼CE=0.4%。當CE=0.4%～0.6%時，焊接性稍差，因此焊前需采取預熱措施。

材料冷裂敏感性指數（Pcm）計算公式[1]為

經計算，得出Pcm=0.14%。當Pcm≤0.25%時，焊縫組織生成馬氏體的可能性小，因此冷裂傾向小。

根據Q345NS鋼碳當量和冷裂敏感性的計算結果，初步判斷該材料在焊接前不必采取預熱措施。

3 焊接工藝

在選擇焊接材料時，一方面，考慮到焊接材料的力學性能與Q345N S鋼匹配；另一方面，因Q345NS鋼獨特的耐硫酸腐蝕性能，所以要進行必要的化學成分對應參考，焊條的化學成分應盡量與母材相近[2]。基于以上焊接材料選擇原則，最終選出E5015-GP、E5016-G、H08MnSiCuCrNiⅡ共3種焊接材料進行試驗，并進行對比分析。焊接方法和焊接材料的牌號和規格見表3，焊接材料化學成分見表4，焊接材料力學性能見表5。

表3 焊接材料選擇

表4 焊接材料化學成分（質量分數） （%）

表5 焊接材料力學性能

試驗用焊接參數見表6，焊接試板坡口形式如圖1所示。

圖1 焊接坡口形式

表6 試驗用焊接參數

焊接電源采用YD-350GR3和YC-400TX3。焊前嚴格執行焊條、焊絲管理制度和烘干使用制度。所有焊接試件必需由持證焊工施焊。焊前不預熱，焊后不進行熱處理。

4 焊接過程控制

1）為保證試驗條件貼近實際現場施工環境，以及大直徑管道和板狀拼接焊縫的焊接需求，接頭背面需要做清根處理，在根部基本熔透的情況下，使用角向磨光機做適當清根處理，再進行封底焊接。當接頭背面根部熔透狀況較差時，采用碳弧氣刨清根，再用角向磨光機將刨槽內外的氧化物清理干凈。

2）焊接過程層間溫度嚴格控制在240℃以下。

3）焊縫各層之間使用角向磨光機清理飛濺物和殘留熔渣。

4）焊接完畢后，將焊縫及其周圍的飛濺物和殘留熔渣清理干凈，防止殘留物污染焊縫和熱影響區。

5 試驗結果與分析

5.1 無損檢測

無損檢測作為評定產品質量優劣等級的依據，提高產品在規定使用條件下工作的可靠性[3]。對試驗焊縫進行RT檢測。檢測依據NB/T 47013.2—2015《承壓設備無損檢測 第2部分：射線檢測》，以上兩種焊接工藝所焊接的焊縫經RT檢測全部合格，均達到檢測標準。

5.2 力學性能試驗

分別對3種焊接方法進行拉伸、彎曲、常溫沖擊試驗和微觀金相檢測。拉伸試驗依據GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》、NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》，試驗設備為Z150（603841）；彎曲試驗依據GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》、NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》，試驗設備為BW-2000C（BW-1146）；沖擊試驗依據GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》、NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》，試驗設備為ZBC-300（20503062）。

以上兩種焊接工藝所焊接的焊縫經拉伸試驗、彎曲試驗和常溫沖擊試驗，結果均達到合格標準，見表7。其中，E5016-G焊條焊接的試件在常溫沖擊試驗中具有明顯優勢。

表7 焊接接頭力學性能

5.3 金相檢測

金相檢測依據G B/T 1 3 2 9 8—2 0 1 5《金屬顯微組織檢驗方法》，試驗設備為I m a g e r.A2m（3533000238）。E5016-G焊條焊接的試樣編號為1808163-1，E5015-GP焊條焊接的試樣編號為1808163-2，H08MnSiCuCrNiⅡ焊絲焊接的試樣編號1808163-3。3組試樣的焊縫顯微組織如圖2～圖4所示。由圖2可看出，E5016-G焊條焊接形成的焊縫組織為貝氏體+鐵素體，由圖3、圖4可看出，E5015-GP焊條和H08MnSiCuCrNiⅡ焊絲焊接形成的焊縫組織為貝氏體+鐵素體+細珠光體。

圖2 E5016-G焊條焊接試樣的焊縫顯微組織

圖3 E5015-GP焊條焊接試樣的焊縫顯微組織

圖4 H08MnSiCuCrNiⅡ焊絲焊接試樣的焊縫顯微組織

6 結束語

對Q345NS鋼進行的焊接工藝試驗，所獲得焊接接頭的力學性能均達到了相關標準要求。但經過力學性能試驗和金相分析得出，采用E5016-G焊條焊接形成的焊縫在力學性能和金相組織方面相對于其他兩種焊接材料均具有一定優勢。2018年，E5016-G焊條焊接工藝應用于長江鋼鐵煤氣管道更換項目中，經過使用效果調查，該工藝焊接的焊縫使用至今未出現異常，耐腐蝕狀況也達到了要求。