Q345R与20钢焊接工艺研究及生产应用

2021-01-03薛根奇胡延伟袁吉增

电焊机 2021年12期

薛根奇胡延伟袁吉增

摘要：分析Q345R与20钢的焊接性能，拟定TIG+MAG焊接工艺规程，确定最佳焊接规范参数，进行了焊接工艺试验及评定，并采用渗透检测、射线检测验等方法验证焊缝的表面及内部质量，通过机械性能试验验证焊接接头的性能。结合高压电极锅炉本体与支管焊接结构形式，将试验研究结果应用于高压电极锅炉本体与人孔等支管的焊接，按NB/T 47013.2、NB/T 47013.5的要求对焊缝进行超声检测及渗透检测，检测结果符合相应标准的I级质量要求，焊接效果良好。

关键词：异种钢焊接;Q345R钢;MAG焊;焊接工艺;生产应用

中图分类号：TG457.1 文献标志码：A 文章编号：1001-2003（2021）12-0067-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.13

0 前言

為实现“ 双碳 ”目标，减少石化能源的消耗，扩大风电、光电等清洁能源的消纳，高压电极锅炉作为集中清洁供暖、火电厂的灵活性调峰、工厂工艺供热的重要设备正逐步扩大应用。高压电极锅炉的重要元件锅炉主体筒体及封头采用Q345R钢，炉体上的各支管一般采用20钢，筒体或封头与支管之间采用完全焊透的插接结构或骑座结构如图1所示。Q345R低合金高强钢是用途最广、用量最大的压力容器专用钢板，具有良好的综合力学性能和工艺性能，被广泛用于锅炉、石油、化工、电站等行业，一般用于制作锅炉本体、热换器、反应器、分离器、导气管、液化气罐、气包、液化石油气瓶、水电站高气管、水轮机蜗壳等设备及构件。20钢为优质碳素钢，其强度低，韧性、塑性和焊接性均较好。

1 Q345R及20钢焊接性分析

Q345R钢为低合金高强钢，20钢为优质碳素钢。根据GB713-2014《压力容器用钢板》、GB/T 711-2017《优质碳素结构钢热轧钢板和钢带》要求提供Q345R和20钢的实测化学成分，如表1所示。

1.1 Q345R钢及20钢焊接冷裂纹倾向分析

化学成分影响钢的淬硬倾向及焊接冷裂纹倾向，冷裂纹倾向通常用碳当量CE或Ceq来评价[1]。

当Ceq≤0.4% 焊接时基本无淬硬倾向，焊接性优良，焊前不需要预热;当Ceq=0.4%～0.5%时，淬硬倾向尚不算严重，焊接性能尚可，但随板厚的增加，需要一定的预热措施;当Ceq>0.5%时，淬硬倾向逐渐显著，冷裂倾向随之增加，为避免产生冷裂纹，需要采取严格的工艺措施，如焊前预热、控制线能量、焊后热处理等[2]。

焊接冷裂纹不仅取决于化学成分，而且还与其淬硬性、拘束度扩散氢的含量有关，焊接研究中多数采用Pcm来评估低合金高强钢焊接的冷裂纹敏感性，其公式为

当Pcm≤0.20%时，无需预热就能防止焊缝根部产生裂纹（焊缝根部在拘束条件下施焊时最易产生冷裂纹）[3]。工程经验显示，当Pcm≤0.25%时，材料对冷裂纹敏感性不明显[4]。

碳当量CE或Ceq适应于含碳量较高（≥0.18%）的钢材，裂纹敏感系数Pcm适用于含碳量比较低（≤0.17%）的钢材[2]。

将表1中Q345R钢实测的化学成分代入式（1）～式（3），得到Pcm=0.236%，CE=0.438%，Ceq=0.438%，裂纹敏感系数小，碳当量在0.4%左右，淬硬和冷裂倾向小，但由于含有一定量的合金元素，其淬硬、冷裂倾向都比低碳钢大一些。因此常温下焊接 Q345R 时，采取合适的焊接材料，常规工艺方法（无需预热），焊缝及热影响区一般不会出现淬硬组织，焊接冷裂纹产生的机率较小;焊接工件厚度较大时，需要适当控制焊接热输入和道间温度，避免焊缝及热影响区出现马氏体组织，必要时进行焊后热处理消除焊接应力。

将表1中20钢实测的化学成分代入式（1）～式（3），得到Pcm=0.239%，CE=0.305%，Ceq=0.302%，裂纹敏感系数小和碳当量都较小，材料的淬硬倾向和冷裂倾向小，焊接性能优良，采取常规的工艺方法不需要预热，可获得较好的焊接接头。

1.2 热裂纹倾向分析

低合金高强钢的热裂敏感性一般可用热裂敏感系数HCS来评定，HCS≤4.0时，可以防止热裂纹，HCS>4.0表示该合金钢在某些工艺情况下焊接时易产生热裂纹。

Q345R碳含量较低，且Mn含量高，Mn/S比较高，具有较好的抗热裂性。将Q345R化学成分代入式（4），HCS=0.971，热裂纹敏感性小，选取适当的焊接材料及焊接工艺可以防止焊接热裂纹的产生。20钢含碳量低，合金元素少，热裂敏感性比较低。

1.3 再热裂纹倾向分析

焊缝再次加热产生的裂纹为再热裂纹，一般产生在过热粗晶部位，母材、焊缝和热影响区的细晶区均不易产生再热裂纹。不是所有的钢材和合金都具有再热裂纹倾向，普通的碳素钢和固溶强化的金属材料一般不会产生再热裂纹，只有含沉淀强化元素的金属材料在焊缝熔合线附近易产生再热裂纹。试验研究表明，Cr、Mo、V、Ti、Nb元素含量对再热裂纹的影响较大，可用经验公式PSR评价再热裂纹倾向，PSR>0时易产生再热裂纹。

将Q345R化学成分含量代入式（5），经计算得PSR=-1.13，因此Q345R再热裂纹不敏感，再次加热时不易产生裂纹。

综上分析可知，Q345R与20钢焊接时不容易产生冷裂纹、热裂纹以及再热裂纹，焊接时选择合适的焊接方法和材料，以及合理的工艺参数，可保证焊缝质量。

2 焊接工艺试验研究

2.1 试验材料及焊接方法

电极锅炉本体材料的厚度12～16 mm，无缝支管的厚度12～20 mm，焊缝的结构形式有T型对接接头、角接接头，根据NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》确定采用16 mm厚Q345R钢与20钢进行焊接工艺评定，试件规格为600 mm×120 mm。根据Q345R钢与20钢的化学成分及机械性能和相关的研究及规范，采用50 kg级焊丝TGS-50及ER50-6[5～7]，为保证焊接质量和焊接效率，结合锅炉本体与管座焊接的具体情况，确定采用钨极氩弧焊（TIG）+熔化极混合气体保焊（MAG）焊接方法，具体为TIG焊打底，MAG焊填充及盖面，焊丝质量符合NB/T 47018.3-2017 《承压设备用焊接材料订货技术条件第3部分：气体保护电弧焊丝和填充丝》要求。

2.2 焊接设备、试样坡口及接头形式

焊接设备：TX-400焊机，YD-500GR3焊机;焊接材料：φ2.4 TGS50，φ1.2 ER50-6;试件规格：600 mm×120 mm×16 mm。

接头及坡口形式：平焊对接接头，结合电极锅炉主体上接管的形式，采用V型坡口，具体焊接坡口及焊接层次如图2所示。

2.3 焊接工艺及措施

焊接工艺如表2所示。焊前及焊接过程中要注意以下事项[8-9]：（1）彻底清除坡口周围锈迹、油污、水分;（2）试板两端装配对齐，错边量小于板厚的1 mm;（3）由于是Y型坡口，单面焊缝，装配时考虑适当的反变形（约3°）;（4）打底焊保证坡口根部熔透，背面清根要彻底;（5）MAG焊填充及盖面时坡口两侧要完全熔合，焊接层间对接处的接头错开30 mm以上，填充层及盖面层的厚度控制在4 mm 以下;（6）根据打底焊的情况必要时背面清根后盖面;（7）蓋面时，确保焊缝与母材圆滑过渡避免咬边，焊缝成形系数小于0.1。

3 试验结果及分析

3.1 外观检查

试件焊缝经目视检测，未发现任何气孔、夹渣、裂纹等表面缺陷。按NB/T 47013.5-2015 《承压设备无损检测第五部分渗透检测》进行渗透检测，检测结果符合NB/T 47013.5-2015 Ⅰ级质量要求。

3.2 焊缝内部质量检测

按NB/T 47013.2-2015 《承压设备无损检测第二部分射线检测》，AB级检测技术对焊接试件进行X射线检测，焊缝内部未发现焊接缺陷，符合Ⅰ级质量要求。同时按NB/T 47013.3-2015 《承压设备无损检测第二部分超声检测》B级检测技术进行超声检测，符合Ⅰ级质量要求。

3.3 焊接接头机械性能试验

焊接试件经加工成机械性能拉伸、弯曲、冲击试样，进行拉伸试验、面背弯、冲击试验（常温），试验结果如表3～表5所示。

异种钢焊接接头的抗拉强度一般不低于低强级母材要求即可，Q345R与20钢的焊接接头的平均抗拉强度σb=478.3 MPa，大于 GB/T 711规定的20钢的410 MPa的最低值要求。

标准要求弯曲试验试件拉伸面上的焊缝和热影响区内，任何方向不得有单条长度大于3 mm的开口缺陷，面弯和背弯试件表面无裂纹缺陷，符合要求。

对于碳钢和低合金钢，标准要求抗拉强度在450～510 MPa的钢材焊接接头的冲击功KV2平均值≥24 J，GB713-2014 要求Q345R钢母材的冲击功≥41 J（0 ℃，KV2），GB 711-2017 要求20钢母材的冲击功≥34 J（20 ℃，KV2），≥27 J（-20 ℃，KV2）。GB699-2015 优质碳素结构钢未对冲击功要求进行要求。Q345R与20钢的焊接接头焊缝、Q345R钢侧熔合区、20钢熔合区平均冲击功（20 ℃，KV2）分别为：79.67 J、118.3 J、87.3 J，满足相关标准的要求。

4 生产应用

高压电极锅炉的本体封头材料为16 mm Q345R钢板压制成φ2 400 mm的标准封头，封头的电极管座为φ273×12 mm的20钢无缝钢管，封头与电极管座形成偏心600 mm的插入式结构。具体结构形式及焊接顺序见图3，其他人孔管座等结构类似。

焊接工艺措施：焊前不预热，第1层（打底层）TIG焊熔透坡口根部不加或加少量焊丝，焊丝牌号GS-50，第2～4层（填充层）、5～6层（盖面层）采用MAG焊，焊丝ER50-6，根据第一层的打底情况适当清根后焊接背面第6层（盖面），具体焊接工艺参数如表6所示，焊接后效果如图4所示。

焊缝表面清理后进行目视及渗透检测，未发现气孔、夹渣、裂纹等表面缺陷，符合NB/T 47013.5-2015Ⅰ级质量要求。同时进行按NB/T 47013.3-2015 B级检测技术进行超声检测，符合Ⅰ级质量要求。

5 结论

（1）Q345R+20钢焊接时不容易产生冷裂纹、热裂纹和再热裂纹，焊接时选择合适的焊接方法和焊接材料，以及合理的工艺参数，可保证焊缝质量。

（2）Q345R钢与20钢焊接时，采用TIG焊打底，MAG焊填充及盖面，用TGS-50及ER50-6焊丝，并采取适当的焊接工艺及措施。对焊件进行焊接工艺评定，经渗透、射线检测，焊缝质量符合NB/T47013.5、NB/T47013.2 Ⅰ级质量要求，焊缝焊接接头的机械性能满足相关标准的要求。

（3）锅炉封头与偏心电极管座的焊接采用适当的焊接工艺，经渗透检测，未发现气孔、夹渣、裂纹等表面缺陷，符合NB/T 47013.5-2015Ⅰ级质量要求。同时符合NB/T 47013.3-2015Ⅰ级质量要求。

参考文献：

中国机械工程协会焊接学会.焊接手册（第三版）[M]. 北京：机械工业出版社，2008.

周振丰，张文钺. 焊接冶金与金属焊接性 [M]. 北京：机械工业出版社，1988.

杜国华.新编焊接知识问答[M].北京：机械工业出版社，2008.