20MnMo超厚锻件不锈钢堆焊工艺

杨华彬

摘 要：20MnMo锻件的供货热处理状态为淬火+回火（Q+T），经过淬火+回火后的显微组织是回火低碳马氏体、下贝氏体或回火索氏体，这类组织虽然可以保证较高的力学性能但在焊接热影响区容易产生冷裂纹和韧性下降。本文介绍了为完成超厚锻件的不锈钢带极堆焊施工任务所采取的焊接工艺措施。

关键词：20MnMo；超厚锻件；带极堆焊

中图分类号：TG455 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）10-0056-01

1 前言

粗甲醇水冷器设备管板为20MnMo锻件堆焊不锈钢耐蚀层，尺寸为φ2700×400mm堆焊耐蚀层厚度为6mm。由于堆焊工作量大、工期紧我们决定采用埋弧自动带极堆焊，对锻件边缘无法进行带极堆焊的部位采用焊条电弧焊。

2 焊接性分析及对策

20MnMo锻件的供货热处理状态为淬火+回火（Q+T），经过淬火+回火后的显微组织是回火低碳马氏体、下贝氏体或回火索氏体，这类组织虽然可以保证较高的力学性能但在焊接熱影响区容易产生冷裂纹和韧性下降[1]。焊接热影响区韧性下降的问题可以通过控制焊接热输入的大小的方法来解决，焊接热输入的大小已通过事先的焊接工艺评定验证进行了验证。本文着重介绍施焊过程中为预防焊接冷裂纹的产生所采取的措施。众所周知，焊接冷裂纹产生的三要素是拘束应力、扩散氢以及淬硬倾向。超厚20MnMo锻件调质状态下的淬硬倾向以及拘束应力敏感性都很大。待施焊的管板是厚度达到400mm的超厚锻件，厚度的增加直接导致了焊接过程中产生较大的拘束应力，同时厚度较大如果预热不均匀也会产生较大的内应力。为了防止冷裂纹的产生施工过程中我们从拘束应力、扩散氢以及淬硬倾向三个方面采取了如下措施：（1）严格清理待焊表面铁锈、氧化皮、油污等；（2）严格按要求烘干焊条、焊剂；（3）预热采用大型加热炉进行炉内预热保证预热均匀；（4）预热好后出炉将除了待堆焊面外的各个面用保温石棉包裹防止热量散失过快；（5）焊接过程中停止施焊或焊接完成后应进行焊后消氢处理；（6）焊后进行消除应力热处理。

3 减小焊接变形

埋弧自动带极堆焊的热输入较大，为防止管板产生超差变形我们在生产过程中采用中心对称交叉的焊接顺序。沿着中心线将圆周按逆时针标注为0°、90°、180°、360°，第1层的第1道沿直径从0°方向起弧焊到180°熄弧；第2道从直径的右侧从180°方向启弧焊到0°熄弧；第3道从直径的左侧从0°方向启弧焊到180°熄弧，按如此规律上下两半圆周对称施焊且相邻两焊道（即2和4道，3和5道）的施焊方向相反。第2层的施焊方向为90°到360°或360°到90°；施焊顺序与第1层相同；第3层的施焊方向及顺序均匀第1层相同；第4层的施焊方向及顺序均匀第2层相同。

4 焊接与热处理

4.1 焊接设备及材料

焊接设备采用MZ-1000埋弧自动焊、ZX7-400逆变直流焊机。

带极堆焊采用工艺性能优良的烧结焊剂，过渡层焊带选择HW-H309L配合HW-SJ304焊剂，面层焊带选择HW-H308L配合HW-SJ303焊剂；焊条电弧焊过渡层采用A302焊条，面层采用A102焊条。

4.2 焊前准备

（1）认真清除待焊表面铁锈、氧化皮、油污等，对待焊表面进行MT 100%检测I级合格，检测后将耦合剂清洗干净；（2）将焊条放入烘箱，烘干温度为150℃，烘干1小时后放入保温箱保温备用；（3）将焊剂放入烘箱，烘干温度为300～350℃，烘干2小时后放入保温箱保温备用。

4.3 工艺参数

由于管板厚度较厚，所以预热温度适当提高具体温度为180℃～200℃，过渡层层间温度为180℃。为验证焊接质量管板施焊的同时以相同的条件焊接一块1000×200×80mm（厚度选择80mm考虑到侧弯试样厚度过大难以弯曲）试板，焊接层次共4层，第1层第2层为过渡层，第3层第4层为面层（包括加工余量），具体焊接参数见焊接工艺参数表1。

4.4 焊后消氢热处理

焊接过程中停止施焊或焊接完成后应将管板均匀加热到300-350℃保温4小时后缓冷，如继续施焊预热温度应满足上文要求。

4.5 焊后消除应力热处理

外观检测合格后进行消除应力热处理。20MnMo锻件回火温度最低不得小于620℃[2]。为了不破坏材料的供货状态后续热处理温度应小于材料回火温度，其差值至少为30℃[3]。所以，消应热处理温度选择580℃±10℃，根据管板厚度选择保温时间为5.5小时，进炉温度不大于400℃。由于厚度较大升温速度和降温速度过快会产生内应力，故选择较小的升温速度和降温速度具体为60-70℃/h。

5 检测结果

对堆焊表面进行PT 100%检测，I级合格；UT 100%检测，I级合格。同时在试板上取4个侧弯试样进行弯曲试验，弯曲半径为40mm，弯曲角度180°，实验结果合格。在试板表面一下3-4mm处钻取金属碎屑进行理化分析，带极堆焊及焊条电弧焊区域分别随机取三处共6处。对6份样品分别进行C、Mn、Si、S、P、Cr、Ni七元素测定，带极堆焊处3份样品七种元素含量均符合HW-H308L焊丝成分要求；焊条电弧焊处3份样品七种元素含量均符合A102焊条成分要求。

6 结论与讨论

通过对试板的检测可以认定本次20MnMo管板堆焊工艺参数、焊接材料的选择以及消应热处理的温度和时间的确定是合理的，能够满足设备的性能需要。

本次带极堆焊施工过程中过渡层堆焊和面层堆焊采用了不同的焊剂。虽然圆满的完成施工任务，但是两种焊剂的使用从采购和焊材管理方面都增加了成本，在以后的工作和生产中我们会探索使用一种焊剂配合相应焊带完成不锈钢耐蚀带极堆焊。

参考文献

[1]李亚江.焊接冶金学-材料焊接性[M].2007年1月第一版.

[2]章小浒，等.NB/T47004《承压设备碳素钢和合金钢锻件》[S].

[3]戈兆文，等.NB/T47015《压力容器焊接规程》[S].