12Cr2MoG 材料焊接特性及處理

王 昊

（中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江鶴崗 154100）

0 引言

煤化工領域反應器采用的母材為Cr-Mo 合金鋼。12Cr2MoG 材料是Cr-Mo 合金鋼，也是一種耐熱鋼，其具有抗氧化、高溫強度，抗蠕變、氫耐腐蝕等性能是當前工業設備中高溫高壓管道以及鍋爐鋼材優選鋼種，該材料具有較強淬硬性，因此，在開展手動埋弧焊接過程中難度較大。本研究通過手動埋弧焊焊接工藝分析，進而得出焊接最佳參數，以提高焊接接頭質量，為國內工業超重質化裝置焊接工藝提供參考。

1 力學性能分析

本次焊接實驗使用的12Cr2MoG 鋼板厚度為30 mm，力學性能見表1。

表1 12Cr2MoG 力學性能

2 鋼材焊接性能

12Cr2MoG 鋼材料的碳含量較高（0.95%），在焊接過程中焊接接頭具備淬硬性和冷裂性能，為防止焊接時產生裂紋，要求進行焊前預處理，以控制層間溫度，降低接頭冷卻速度，防止鋼材在焊接時出現馬氏體轉變。完成焊接后焊接接頭需進行熱處理，以消除殘余應力，改善焊接接頭的性能。焊接前預熱溫度控制在150～250 ℃，層間溫度控制在120～250 ℃。適當提高層間溫度和預熱溫度，能夠防止焊接接頭產生裂紋和應力，當溫度達到350～500 ℃時，焊接接頭會形成回火脆性，焊后熱處理除溫度之外還需控制接頭冷卻速度，避免出現回火脆性。

3 焊前準備工作

（1）焊接試板。本研究選擇壓力容器鋼板和鍋爐鋼板，材料為12Cr2MoG，規格為600 mm×200 mm×30 mm，為保證焊接過程中應力分布均勻，焊接時選擇X 形坡口（圖1）。

圖1 試板坡口尺寸

12Cr2MoG 材料具有較強脆硬性，經過熱切割后可提高鋼材硬度，但會影響焊接質量，因此需利用機械加工的方式進行坡口焊接，要求加工面整潔、光滑且無鋸齒，坡口邊緣要及時清除水分和銹蝕、氧化皮等雜質，距離坡口邊緣25 mm 直接打磨后進行磁粉檢查，保證脫口面無明顯的裂紋。

（2）焊接過程中要求焊接材料與母材強度保持一致。綜合12Cr2MoG 材料性能，可采用直徑4 mm 的H10Cr2MoG 埋弧焊絲，以及匹配燒結焊劑，封底焊條直徑4 mm，型號為R407C。焊接前需烘干埋弧焊劑，并且選取上限烘干溫度（350 ℃），封底焊條應置于150 ℃保溫箱保存。

4 焊接工藝

（1）焊前預熱。室溫下12Cr2MoG 鋼材料在焊接過程中存在較大空淬性，熱影響區硬度較高，因此焊接時很容易產生裂紋，采用預熱法以緩解焊接接頭快速冷卻，進而減少淬火組織，降低內部殘余應力，利于溢出氫氣，防止裂紋形成。此外，采用預處理法還可及時去除材料表面的油污、水分，降低金屬含氫量。結合國家標準，焊前預熱溫度應高于150 ℃，以防出現冷裂紋和再熱裂紋。由于鋼管焊接過程中散熱快，存在較多不利于焊接的因素，因此本次焊接工藝確定焊線預熱溫度為150～250 ℃，可采用氧乙炔加熱或電加熱法，在距離坡口75 mm 內進行預熱溫度的檢測。

（2）焊接線能量控制。應合理控制焊接線能量，能量較大會導致長時間焊縫金屬處于高溫狀態，使熱影響區溫度較高，最終會使晶粒粗大，產生寬度較大的裂縫，降低材料力學性能或產生高溫裂紋等。焊接鋼材根部時應選擇合理的焊接電流，焊接時如果鋼材焊到寬度窄處可適當提高電流，進而實現輪廓操作，多次焊接可以發現，可將焊接線能量控制在2.5 kJ/mm 內，以降低材料焊縫缺陷，提升鋼材的焊接質量。

（3）層間溫度控制。在多層焊接過程中，鋼材焊層對前部分材料焊成存在消氫作用，可改善熱影響區以及前層焊縫金相組織，要求層間溫度應適當高于預熱溫度，但層間溫度不能過高，否則會逐層積累氫含量，導致焊接出現熱變形，進而使焊管根部產生集中應力，提升冷裂紋產生得概率。綜合分析，合理設置層間溫度120～250 ℃比較合適。

（4）工藝控制。焊材選擇直徑4 mm 的H10Cr2MoG 埋弧焊絲，同時配合使用SJ150 焊劑，在預焊過程中，使用直徑4.5 mm的R407C 焊條，實現間斷點焊，以防出現內焊燒穿現象。焊接背面時采用碳弧氣刨法，及時清除預焊層病進行坡口打磨，防止滲碳現象的發生。利用磁粉檢測坡口表面，確保無裂紋產生。

（5）焊接過程及設備分析。按照焊接工藝參數規范焊接操作，根據實際情況調整焊接參數（表2）。在埋弧焊中采用埋弧焊機DC1500。

表2 焊接工藝參數

（6）焊后熱處理。試板焊接后需進行退火處理，690 ℃保溫8 h，入爐時溫度應低于300 ℃，升溫速率控制在75 ℃/h，降溫速率控制在35 ℃/h，隨爐冷卻，出爐溫度167 ℃。

5 結果分析

對鋼材焊縫進行外觀檢測，要求焊縫外觀良好，且無明顯裂紋，夾渣、咬邊等缺陷。對鋼材進行磁粉檢測，其近表面無明顯缺陷，符合Level 一級標準。對鋼材進行超聲波檢測，其內部質量較好，經過探傷檢測，結果符合Level 二級標準。對鋼材進行射線拍片檢查，其內部無缺陷，結果符合Level 二級標準。經過超聲波無損探測和外觀檢測，符合要求，嚴格按照有關規范開展鋼材機械切割取樣進行化學成分分析、沖擊實驗分析和彎矩試驗、硬度檢測、拉伸試驗。

（1）化學成分。通過立式光譜儀進行焊縫材料化學成分分析，母材成分與焊縫元素含量基本一致，表明焊接時母材與焊材的匹配度較高。

（2）拉伸試驗。焊縫抗拉強度為634 MPa 和642 MPa，符合抗拉伸標準，拉伸值大于520 MPa。

（3）彎曲試驗。根據規范，當鋼板的厚度大于10 mm 時，可利用4 個側彎試驗代替背彎和面彎試驗，試驗結果符合相關規范。

（4）沖擊試驗。針對焊縫中心以及熔合線開展沖擊實驗分析，采用V 形缺口試樣，參數為10 mm×10 mm×55 mm，設置20 ℃為實驗溫度。12Cr2MoG 鋼材在接頭性能和熱影響區沖擊性能，嚴格按照鋼板沖擊要求，使沖擊功高于47 J，沖擊功應高于36 J。

（5）宏觀檢查以及硬度分析。通過觀察可以發現，焊縫完全焊透且焊偏量符合標準要求，無明顯夾渣、裂紋等缺陷問題。圖2 為焊接接頭硬度測試點位置，硬度測試結果顯示，12Cr2MoG焊接采用手動埋弧焊工藝，熱影響區和焊縫硬度值滿足相關要求。

圖2 焊接接頭硬度測試點位置

（6）分析熔敷金屬組織。熔敷金屬韌性值差別較大，是由于微觀組織發生明顯變化，不同的輸入值導致熔敷組織出現微觀變化，因此采用不同熱輸入值會使焊后熔敷金屬強度差異明顯。在實驗過程中針對焊接材料可選擇較廣的焊接工藝參數，焊接熱輸入范圍為20～28.29 kJ/cm，焊接后板材具有良好的韌性和強度。

6 防止手動埋弧焊裂紋產生的有效措施

（1）控制焊接拉力的不良作用，合理選擇坡口形式，為減少焊接應力，可選擇較小坡口間隙，因為較大的坡口間隙會使焊縫熔池在收縮時產生較大收縮，增加焊接拉應力。在鋼板劃線位置進行板料棱角度的參數控制，控制坡口間隙組隊，卷制成形，防止局部間隙較大。在焊接部燒穿的基礎上，盡可能減少背面點固焊長度、點數，有效減少坡口局部橫向剛度，減少焊接拉應力的產生。

（2）焊件預熱。預熱是防止裂紋產生的有效措施，能夠使焊接接頭位置金屬均勻受熱，在焊接過程中，可沿焊縫縱向減緩溫度變化，利于減小內應力，尤其是在外界環境溫度降低、板材厚度大的情況下，需進行板材預熱處理。

（3）選擇合理焊接工藝。焊接參數的選擇，將會在一定程度上影響焊縫成形，如果焊縫成型窄且深，雜質集中于樹枝晶體對接部位，焊縫抵抗拉應力能力弱，會有應力產生，進而產生裂紋，因此，應合理控制焊縫成型形狀，可從手動埋弧焊焊接參數匹配入手，在保持能量不變的基礎上，適當提高電弧電壓值，減小焊接電流值，提升焊接速度，適當增大焊絲直徑，焊接環縫過程中，可改變焊件和焊絲相對位置。

7 結語

本研究采用12Cr2MoG 鋼材進行手動埋弧焊接，經過磁粉檢測，超聲波檢測以及X 射線檢測，最終焊接滿足標準要求。對焊縫化學成分進行分析，同時開展彎曲試驗、拉伸試驗、硬度性能測試、沖擊韌性試驗，結果滿足標準要求，可獲得12Cr2MoG材料埋弧焊接工藝最佳參數。采用該焊接工藝，可實現鋼管批量化生產，最終產品符合企業標準要求，能夠提升生產效率。