某工程岔管用模具鋼4Cr5MoSiV 與Q345R 可焊性能研究

李 誠，羅 聰

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

1 概述

布隆迪吉吉和穆倫布韋水電站所用到的岔管結構如圖1 所示，其中岔管主體以及月牙肋板的材質為Q345R。岔管中間連接兩根圓鋼起到承重作用。圓鋼材質為硬度較高耐磨性較好的模具鋼4Cr5MoSiV。鑒于車間從未有過模具鋼的焊接經驗。因此，通過選擇合適的焊材進行焊接工藝評定，評估焊接工藝的同時，對于4Cr5MoSiV 的可焊接性做進一步的驗證[1]。

圖1 岔管結構示意圖

2 焊接工藝制定

2.1 焊材的選擇

為減少冷裂紋產生的可能，需盡可能減少焊縫中含氫量，結合廠內生產情況，本次焊評實驗焊接方法選用SMAW。在壓力容器工程制作中，焊接材料選用遵循等強或超強匹配原則。綜合以往實操經驗，模具鋼與壓力容器鋼板的材料力學性能、結合廠內實際生產情況以及現(xiàn)有材料，最終選擇氫含量較少的J507RH 實心焊絲。焊絲的熔敷金屬化學成分及力學性能如表1、表2 所示。

表1 熔敷金屬化學成分單位%

表2 熔敷金屬力學性能

2.2 對接形式

結合岔管主體、月牙肋與圓鋼的對接形式，試驗對接形式采用T 型對接。結合以往施焊經驗，坡口形式采用K 型坡口，利于減少焊接變形。同時可以減少碳刨清根，有利于減少成本。具體坡口形式見圖2。

圖2 試樣焊接坡口圖

2.3 焊接參數

焊接參數的選擇，因盡可能減少材料的脆硬傾向，采用較小的線能量進行焊接，有助于避免熱影響區(qū)強度的降低。同時為了保證能夠焊透采用打底、填充、蓋面的方式進行焊接。具體焊接參數如表3 所示。

表3 焊接參數

2.4 預熱

4Cr5MoSiV 模具鋼材料，碳含量較高，Cr 含量較高，淬透性較好，冷卻速度過快，熱影響區(qū)易形成馬氏體組織。為避免冷卻速度過快，需進行焊前預熱和焊后緩冷等工序。同時預熱還有助于降低焊接應力，有助于擴散氫的逸出，減少焊縫冷裂紋的產生。

焊前預熱溫度的選擇應結合板厚、焊件的結構形式等來確定；GB 50766-2012《水利水電工程壓力鋼管制作安裝及驗收規(guī)范》中對不同板厚的預熱溫度作出規(guī)定。根據材質及板厚同時考慮到岔管主體、月牙肋與圓鋼的T 形接頭形式，構件尺寸較大，預熱后溫度下降較快等情況，決定將焊前的預熱溫度定位200℃~240℃。

2.5 道間溫度

為避免由于焊縫在焊接后高溫下時間過長，導致焊縫晶粒粗大，造成焊縫硬度過高，塑性、韌性較差，需要控制道間溫度的上限；同時，為避免溫度下降過塊造成淬硬組織，影響擴散氫的溢出，需要控制道間溫度的下限。GB 50766-2012《水利水電工程壓力鋼管制作安裝及驗收規(guī)范》中規(guī)定最低道間溫度不應低于預熱溫度，綜合考慮將4Cr5MoSiV 道間溫度定為200℃~280℃。

2.6 焊后緩冷

為避免冷裂紋的產生，并加快焊縫中擴散氫的溢出，焊后需進行保溫緩慢冷卻。結合廠內現(xiàn)有條件4Cr5MoSiV 采用常規(guī)的保溫棉進行緩冷;在焊接實驗過程中，模擬實際情況，月牙肋板較厚，岔管尺寸較大，焊前預熱效率較低，焊后溫度下降較快的情況，試樣的焊后緩冷可以先鋪后蓋，進行預熱時便為緩冷做準備，即焊接前預先在焊縫另一側鋪一層保溫棉，預熱在焊縫正面進行。提高預熱效率，預熱之后，正面焊縫的保溫棉撤到焊縫兩側，焊接完成之后，立即使用保溫棉對焊縫進行覆蓋以滿足焊縫緩慢冷卻至室溫的要求。

2.7 焊接過程控制

焊前用磨光機清理坡口周圍的焊渣油銹，將坡口及周邊10 mm 位置打磨出金屬光澤。焊前焊條依據說明書在烘箱內烘焙，之后置于保溫桶內隨用隨取。

焊前預熱時區(qū)域應在焊接100 mm 范圍內進行預熱，在預熱側背面進行預熱溫度的測量。除了控制道間溫度，還需注意在每道焊接過程之間，應及時清理出現(xiàn)的缺陷，保證最終焊縫質量。焊接過程除特殊情況，焊接應該一次完成。若確實需要中斷，中斷后應對焊縫施加保溫措施，并在再次焊接之前應對溫度進行檢測。根據規(guī)范，無損檢測需在焊接完成后24 h 進行，排除延遲裂紋對焊縫質量的影響。

3 焊后檢驗

在焊接試板焊接完成后24 h 對焊縫進行檢測。

（1）對焊縫外觀進行檢測，檢測其是否有氣孔、夾渣、裂紋、咬邊等外觀缺陷。

（2）對焊縫進行100%UT 檢測。

最終檢測結果為，無明顯外觀缺陷，但UT 檢測發(fā)現(xiàn)在板厚15 mm 即板厚中部位置有缺陷。氣刨后通過肉眼觀察，發(fā)現(xiàn)有明顯的裂紋。缺陷如圖3所示。

圖3 焊縫裂紋缺陷圖

4 缺陷原因分析

4.1 母材成分分析

4Cr5MoSiV 與Q345R 的化學成分見表4、表5。4Cr5MoSiV 與Q345R 的化學成分中C 含量、Cr 含量、Mo 含量、V 含量差異較大。

表4 4Cr5MoSiV 化學成分

表5 Q345R 化學成分

（1）4Cr5MoSiV 材料中碳含量為0.4%，碳含量的增加鋼材塑性下降，冷脆性和時效敏感性上升。高的C 含量也會加大鋼的淬透性，在焊接時增大熱影響區(qū)，容易發(fā)生焊接開裂，降低焊接性能[2]。

（2）4Cr5MoSiV 材料中Cr 含量為4.98%，Cr 元素可以顯著提高鋼材的耐磨性，降低鋼材的塑性。降低鋼材的焊接性能。

（3）4Cr5MoSiV 材料中Mo 含量為1.23%，Mo 元素可以提高鋼材淬透性，易使材料在焊接過程中形成淬硬組織。

（4）4Cr5MoSiV 材料中Mn、Si 含量也較高，這兩種元素會顯著降低材料的焊接性能。

4.2 碳當量

碳當量是把鋼材中的合金元素(包括碳元素)含量按其影響的大小換算成碳的相當含量，可以用碳當量作為評定鋼材的淬硬性、冷裂及脆化等性能的參考指標，是一種最常用的方法[3]。常用的碳當量計算公式是日本JIS 所規(guī)定公式，如下所示，通過計算得出4Cr5MoSiV 的碳當量為CE（JIS）（%）=1.87%遠遠高于0.6%，隨著碳當量的增加，焊接試板的淬透性會顯著增強，同時焊接熱影響區(qū)冷裂紋敏感性增大，焊接過程中極易產生裂紋。

4.3 冷裂紋敏感系數

冷裂紋敏感系數由日本伊藤在20 世紀經大量的試驗后提出[4]，如下式所示，通過公式計算出材料4Cr5MoSiV 的冷裂紋敏感系數Pcm=0.876%。冷裂紋敏感系數遠高于0.2%，表明4Cr5MoSiV 具有較高的冷裂紋傾向，即使在焊接工藝評定過程中采取了相應的預熱措施，但廠內預熱設備無法達到材料所需預熱要求。導致焊接冷裂紋產生[5]。

4.4 熱影響區(qū)最高硬度

除了碳當量以外，熱影響區(qū)最高硬度也可用于衡量材料淬硬傾向。通過二者進行共同評估，可較好的反應冷裂紋敏感性和淬硬傾向，焊接熱影響區(qū)最高硬度公式如下式所示。通過公式計算，估算出材料4Cr5MoSiV 的熱影響區(qū)硬度的峰值大約為751 HV，壓力容器鋼板焊接熱影響區(qū)硬度峰值的臨界值為350 HV，當大于該值時易產生淬硬組織，表明了4Cr5MoSiV 具有較高的淬硬傾向，容易產生冷裂紋。

5 結論

通過焊接工藝評定，以及對4Cr5MoSiV 的碳當量、裂紋敏感系數、熱影響區(qū)最高硬度的計算得出以下結論：

（1）4Cr5MoSiV 材料的碳當量、裂紋敏感系數、熱影響區(qū)最高硬度均較高，意味著焊接過程冷裂紋的風險較高。

（2）4Cr5MoSiV 材料的合金元素較高且具有較多的淬透性元素，焊接性能較差，焊接過程中產生淬硬組織的風險較大。

實際施焊后，焊縫有冷裂紋缺陷產生。

在該工程中，以施工現(xiàn)場技術條件，4Cr5MoSiV材料不具備與Q345R 焊接的條件。