13MnNiMoNbR高压锅炉的壳体焊接工艺设计*

马天凤，崔国明，李兴霞

(河南机电高等专科学校材料工程系，河南新乡453000)

在锅炉行业中，低合金高强度钢得到越来越广泛的应用。它能满足不同工作要求，适应各种特殊的工作条件。在压力容器的应用范围内，其性质也能满足条件对材质的要求，而且通过焊接的方法连接成不同几何形状的零部件，生产、修复简便而且成本低。如13MnNiMoNbR钢是我国上世纪80年代末引进国外配方研制的。由于含碳量低，合金配方合理，使这类钢具有较高的强度和韧性，并具有良好的焊接性，其应用也日益广泛。

1 13MnNiMoNbR的化学成分及性能

13MnNiMoNbR 钢含碳量低(ωc≤0.16 ﹪)，具有良好的焊接性，含硅、锰量高，提高钢的强度，含铬提高钢的耐蚀性，含镍、钼、铌提高钢的韧性及热强性，使得13MnNiMoNbR钢具有良好的高温强度，其化学成分见表1，力学性能见表2。

表1 13MnNiMoNbR的化学成分(质量分数)(﹪)

钢的焊接性主要取决于化学成分，这类钢一般加入了ωMo≤0.5﹪，Ni是固溶强化元素，Mo可以提高强度，细化组织，并提高钢的中温耐热性，但含Mo钢在正火后往往得到上贝氏体和少量的铁素体，韧性和塑性指标都不高，必须在正火后进行回火才能获得良好的塑性和韧性。但随着合金元素的增加和强度的提高，焊接性也变差［1］。由于13MnNiMoNbR钢母材的性能以及其成分对焊接的影响，分析焊接过程中问题主要来自两个方面:焊接裂纹和热影响区母材性能下降。

2 焊接工艺的制定

13MnNiMoNbR钢是在正火+回火状态下使用的，综合力学性能和焊接性都比较好。为了保证焊接质量，防止焊接裂纹或热影响区性能下降，从焊前准备到焊后热处理的各个环节都需要进行严格控制［2］。焊接采用焊条电弧焊打底，埋弧自动焊填充及盖面。

2.1 接头与坡口的设计

合理的接头设计应使应力集中系数尽可能小，且具有好的可焊到性，并便于焊后检验。为此，应避免将焊缝布置在断面突然变化的部位，并考虑施焊方便，一般来说，对接焊缝比角焊缝更合理，因为后者应力集中系数大，并有明显的缺口效应，同时，对接焊缝更便于进行射线或超声波探伤。坡口形式以V形为佳，且应保证焊缝与母材交界处平滑过渡。考虑到板厚δ=50mm，并且焊后将产生应力集中和边缘应力，采用双V形坡口，如图1所示。为减小应力变形，采用图2所示的焊接顺序。

采用火焰切割13MnNiMoNbR钢时，应预热100℃，切割边缘进行表面磁粉探伤。采用碳弧气刨清根或清理缺陷时，应将工件预热150℃以上，并清除坡口及两侧各20～30mm范围内的油污、铁锈、氧化物、熔渣和水分等有害物质。角向磨光机修磨焊口表面的焊渣以及飞溅物。坡口表面进行PT(渗透检测)检查。组焊环焊缝时，对丁字口处进行PT探伤检查，确定无缺陷方可进行焊接。

2.2 焊材的选用

选择焊接材料最重要的原则就是保证焊缝金属的性能，使之满足产品的技术要求，从而保证产品在服役中正常运行。热轧及正火钢主要用于制造受力构件，要求焊接接头具有足够的强度、适当的屈强比，足够的韧性和低的时效敏感性，即具有与产品技术条件相适应的力学性能［3］。焊接材料的选用及处理方法如表3所示。

表3 焊接材料的选用及处理

2.3 焊接工艺参数

焊接加工中工艺参数的选择直接影响接头的性能，为了防止热影响区脆化和产生冷裂纹，所选焊接线能量应保证合适的冷却速度。实际生产中确定线能量的步骤是，首先通过实验确定所焊钢材保证韧性的最大线能量，然后根据用此线能量焊接时的冷裂纹倾向确定是否需要预热。焊接工艺具体参数如表4所示。

表4 焊接工艺参数的选择

2.4 焊前预热及焊后热处理

焊前预热是防止冷裂纹、改善接头性能的主要措施。预热温度受母材强度、焊条类型、坡口形式、环境温度等因素的影响，并可利用相关经验公式进行初步估算。对于此设计预热温度应大于150℃，预热范围要大于焊接区150mm以上，层间温度150～250℃。

焊后热处理是压力容器制造工艺过程中重要的工艺环节，对厚壁压力容器更是如此。焊后热处理的目的是:松弛焊接残余应力及稳定结构形状和尺寸，软化热影响区，提高焊缝金属的塑性及断裂韧性，提高抗应力腐蚀的能力，释放焊缝金属中的有害气体——氢气，防止延迟裂纹的产生。具体措施为:

1)焊后工件立即进行后热处理，其温度为300～450℃，保温时间4～6h。

2)压力容器主体结构在消除应力热处理后，进行580～620℃保温，保温时间6～8h。

3 焊后评定

按JB 4708—2000规定焊接试件的检验试样，测定性能如表5、表6、表7。

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4 结论

1)本论文针对13MnNiMoNbR高压容器用钢采用焊条电弧焊打底，埋弧焊填充、罩面，焊接质量符合国标与图纸的要求。

2)按照JB 4708—2000规定进行焊接试件检验并测定性能，得出所选焊条电弧焊焊接电流210～250A、焊接电压29～32V、焊接速度10～20cm∕min，埋弧焊焊接电流700～800A、焊接电压36～38V、焊接速度45～50cm∕min的工艺合格。

3)在焊接过程中，焊接变形是最大的问题。针对这个问题，本实验采用较小的线能量和预热温度，操作过程中严格控制层间温度。

［1］ 英若采.熔焊原理及金属材料焊接［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［2］ 王晋生，陈丽中.13MnNiMoNbR钢焊接工艺［J］.大型铸锻件，2007，(6).

［3］ 王汗升，孔祥勋.压力容器用钢板［M］.北京:中国标准出版社，1996.