球罐自動焊用焊絲試驗

何前進，紀東斌，王 勇，房務農

（1.合肥通用機械研究院國家壓力容器與管道安全工程技術研究中心，安徽合肥230031；2.中國石油獨山子石化公司，新疆獨山子833600）

球罐自動焊用焊絲試驗

何前進1，紀東斌2，王 勇2，房務農1

（1.合肥通用機械研究院國家壓力容器與管道安全工程技術研究中心，安徽合肥230031；2.中國石油獨山子石化公司，新疆獨山子833600）

通過焊接工藝性能試驗、焊接工藝評定試驗、斜Y型坡口焊接裂紋試驗、系列低溫沖擊試驗、焊接線能量選擇試驗及落錘試驗，研究GCR-81Ni1MP焊絲的焊接工藝性能、焊接接頭和熔敷金屬的力學性能以及抗裂性能，不同焊接線能量對-20℃時該焊絲焊縫和熱影響區沖擊韌性的影響，測定了焊縫的韌脆性轉變溫度和NDTT。結果表明，GCR-81Ni1MP焊絲焊接工藝性能優良，焊接接頭和熔敷金屬的力學性能較技術要求有較大的裕量；焊接線能量在56 kJ/cm時，焊縫金屬的低溫韌性仍可滿足技術要求，韌脆轉變溫度低于-37℃，NDTT溫度為-55℃；GCR-81Ni1MP焊絲可用于Q370R球罐的全位置自動焊接。

GCR-81Ni1MP焊絲；Q370R球罐自動焊接試驗；韌脆轉變溫度

0 前言

隨著我國經濟的發展，對石化原料及能源需求的增長，每年需新增大批球罐用于儲存。目前國內球罐一般采用焊條電弧焊施焊，效率低，勞動強度大，焊縫成形較差。其焊接質量很大程度上受人為因素影響，同時也制約了球罐安裝質量的提高，再加上市場經濟加速了焊工流動和焊工難以管理，球罐出現焊接質量問題對焊工也難以追責。為此，球罐采用自動焊成為行業的迫切需求。

球罐的焊接為全位置焊接，且焊接接頭尤其是立焊位置的接頭要求具有較高的力學性能，因此，對焊接材料的工藝性能和力學性能提出了較高的要求。為此，合肥通用機械研究院聯合昆山京群焊材科技有限公司開發了Q370R鋼制球罐用焊絲GCR-

81Ni1MP。

本研究擬通過焊接工藝評定、斜Y型坡口焊接裂紋試驗、系列低溫沖擊試驗、焊接線能量選擇試驗、落錘試驗及金相試驗，研究GCR-81Ni1MP焊絲的焊接工藝性能、接頭和熔敷金屬的力學性能、抗裂性能，研究不同焊接線能量對-20℃時該焊絲焊縫和熱影響區沖擊韌性的影響，測定焊縫的韌脆性轉變溫度和NDTT，并分析焊縫的金相組織。

1 GCR-81Ni1MP焊絲熔敷金屬化學成分和力學性能

試驗采用GCR-81Ni1MP金屬粉芯焊絲，規格φ1.2 mm。熔敷金屬屬于Mn-Ni-Mo合金體系，擴散氫含量（熱導法）[H]≤2.1 mL/100g，低于技術要求[H]≤3 mL/100 g。熔敷金屬化學成分和力學性能分別見表1、表2。

表1 GCR-81Ni1MP焊絲熔敷金屬的化學成分％

表2 GCR-81Ni1MP焊絲熔敷金屬力學性能

由表2可知，該焊絲力學性能優良，相對于技術要求有很大的裕量。

2 焊絲自動化焊接工藝性能試驗

參照GB/T25776-2010《焊接材料焊接工藝性能評定方法》[1]，在平焊位置測定其送絲和電弧穩定性、熔敷速度、熔敷效率、發塵量、飛濺率，在2G、3G、4G位置檢驗焊縫成形。

2.1 焊絲送絲和電弧穩定性試驗

試驗在3塊400 mm×100 mm×16 mm的Q235B試板上分別采用直流脈沖電源施焊，結果如表3所示。

表3 GCR-81Ni1MP焊絲自動焊電弧穩定性

由表3可知，該焊絲即使在干伸長較長時，采用直流脈沖電源進行自動焊接，其電弧穩定性仍較好。

2.2 熔敷效率

試驗采用3塊20 mm厚、規格300 mm×150 mm的Q235B鋼板，分別在3塊鋼板上焊接1 min，試驗結果如表4所示。結果表明，該焊絲自動焊熔敷效率很高。

表4 GCR-81Ni1MP焊絲自動焊熔敷效率

2.3 發塵量試驗

按GB/T25776-2010《焊接材料焊接工藝性能評定方法》[1]中的集氣法檢測焊絲自動焊的發塵量，檢測結果如表5所示。結果表明，即使在大的焊接電流下，該焊絲自動焊的發塵量仍很小。

2.4 飛濺率

采用Q235B鋼板，規格160mm×50mm×10mm，采用同一批次焊絲，分別在三塊鋼板上焊接30s，結果見表6。由表6可知，該焊絲自動焊飛濺率很低。

表5 GCR-81Ni1MP焊絲自動焊熔敷金屬發塵量

表6 GCR-81Ni1MP焊絲自動焊飛濺率

2 .5焊縫成形

采用16 mm厚Q235B鋼板，尺寸400mm×100mm，分別在2G、3G和4G位置焊接，焊縫成形情況如圖1～圖3所示。焊縫表面波紋均勻，成形優良，蓋面層無咬邊現象。

圖1 自動橫焊（2G）的焊縫成形（120 A/22 V）

圖2 自動立焊（3G）的焊縫成形（110 A/15 V）

圖3 自動仰焊（4G）的焊縫成形（110 A/15 V）

3 斜Y型坡口焊接裂紋試驗

為評價Q370R鋼采用GCR-81Ni1MP焊絲，在富氬氣體保護下自動焊接的焊接熱影響區焊接冷裂紋敏感性，試驗用40 mm厚鋼板，按GB 4675.1-1984《焊接性試驗—斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法》[2]進行斜Y型坡口焊接裂紋試驗。

焊前預熱至70℃，施焊時環境溫度25℃，環境濕度50％～55％。采用直流脈沖電源，焊接電流220～230 A，焊接電壓25～26 V，焊接速度150 mm/min。

試板自然冷卻48 h后，滲透檢測試驗焊縫表面，發現收弧處有小的弧坑裂紋，按標準可以不予考慮。對4片5個斷面進行裂紋檢查，結果發現：Q370R鋼板在焊前預熱70℃時，除弧坑有微裂紋外，未發現任何冷裂紋。若按通常當裂紋率小于20％時可判定該試板無冷裂紋傾向的原則，Q370R焊前經70℃以上的預熱，采用GCR-81Ni1MP焊絲、在富氬氣體保護下自動焊接，在現場球罐的焊接拘束狀態下，實際焊接接頭出現冷裂紋的可能性很小。

4 GCR-81NI1MP焊絲自動焊接線能量選擇

試驗采用40mm厚的Q370R鋼板，直流脈沖電源，預熱溫度100℃，對接焊，雙面V型坡口。考慮實際工況（球罐開罐返修后可能進行一次熱處理），焊后按（590℃±15℃）×2.5 h進行二次焊后熱處理。熱處理后從焊接試板中切取沖擊試樣，其缺口分別位于焊縫和熱影響區。沖擊試驗結果如表7所示，焊縫和熱影響區沖擊功隨線能量變化的曲線如圖4和圖5所示。

表7 不同焊接線能量焊縫和熱影響區沖擊試驗結果

由圖4可知，隨著焊接線能量的增加，焊縫金屬-20℃AKV2降低，線能量達56 kJ/cm時，焊縫金屬-20℃AKV2為50 J，下降幅度較大，因此Q370R鋼制球罐采用GCR-81Ni1MP焊絲進行自動焊接時，焊接線能量宜控制在40 kJ/cm以下。

5 球罐焊接工藝評定試驗

按NB/T47014-2011《承壓設備用焊接工藝評

定》[3]，對56 mm厚Q370R鋼進行立焊位置的對接接頭焊接工藝評定，焊后對試板進行（590℃±15℃）×2.5 h二次焊后熱處理。分別進行焊接接頭的拉伸試驗、彎曲試驗以及焊縫金屬和熱影響區的-20℃沖擊試驗。試驗結果如表8、表9所示。

圖4 焊接線能量對焊縫金屬沖擊功（AKV2）的影響

圖5 焊接線能量對熱影響區沖擊功（AKV2）的影響

表8 Q370R+GCR-81Ni1MP 3G位置焊接接頭拉伸及彎曲試驗結果

表9 Q370R+GCR-81Ni1MP 3G位置焊縫和熱影響區沖擊試驗結果

從立焊位置焊接工藝評定結果可知，GCR-81Ni1MP焊絲焊縫金屬-20℃AKV2高達107 J，與技術條件相比富裕量較大。

6 焊縫金屬系列溫度沖擊試驗

試驗采用56mm厚Q370R鋼板，在立焊位置施焊，預熱溫度100℃，控制層間溫度不大于200℃，焊后SR處理。從焊縫中心取樣，焊接線能量46 kJ/cm。試驗溫度-80℃～20℃，其AKV2-T關系曲線如圖6所示，纖維斷面率-溫度關系曲線如圖7所示，韌脆性轉變溫度見表10。

表10 焊縫金屬的韌脆性轉變溫度

圖6 焊縫金屬AKV2與溫度的關系

圖7 焊縫金屬纖維斷面率與溫度的關系

由表10可知，由不同判據評定的焊縫金屬韌脆性轉變溫度均低于-37℃，說明該焊絲用于Q370R鋼制球罐自動焊時，只要焊接線能量控制在適當的

范圍內就有足夠的韌性儲備。

7 焊縫金屬落錘試驗

本試驗為立焊位置，并經（590℃±15℃）×2.5 h二次焊后熱處理后，制取落錘P2試樣。按GB/T6803-2008《鐵素體鋼的無塑性轉變溫度落錘試驗方法》[4]的規定，對熱處理狀態的焊縫金屬進行落錘試驗，試驗結果見表11。

表11 焊縫金屬落錘試驗結果

由表11可知，經（590℃±15℃）×2.5 h二次焊后熱處理后，立焊位置的焊縫金屬的NDTT溫度為-55℃，表明焊縫金屬止裂能力較強。

8 焊縫金屬顯微組織

對SR處理狀態下焊縫金屬進行了金相組織檢驗，如圖8所示，焊縫金屬的金相組織為鐵素體+少量回火貝氏體。

圖8 近表層焊縫金相組織

9 結論

（1）GCR-81Ni1MP焊絲具有良好的焊接工藝性能，焊接電弧穩定，焊縫成形均勻美觀，全位置焊接工藝性能優良，熔敷效率較高，飛濺較小，焊接煙塵較少。

（2）GCR-81NI1MP焊絲自動焊焊縫金屬焊接線能量為56 kJ/cm時，焊縫金屬的低溫韌性仍可滿足技術條件要求，但現場焊接線能量最好控制在40 kJ/cm以下。

（3）采用GCR-81Ni1MP焊絲自動焊對Q370R鋼制球罐進行立焊位置的焊接工藝評定，經（590℃± 15℃）×2.5 h二次焊后熱處理，焊接接頭的性能完全滿足NB/T47014-2011和技術條件要求。

（4）立焊位置的焊縫金屬系列沖擊試驗結果表明，由不同判據評定，韌脆性轉變溫度均低于-37℃。

（5）立焊位置的焊縫金屬NDTT溫度為-55℃，焊縫金屬止裂性能較好。

（6）對GCR-81Ni1MP焊絲進行全面、系統的試驗研究表明，該焊絲能滿足Q370R鋼制球罐的自動化焊接。

[1]GB/T25776-2010，焊接材料焊接工藝性能評定方法[S].

[2]GB 4675.1-1984，焊接性試驗——斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法[S].

[3]NB/T47014-2011，承壓設備用焊接工藝評定[S].

[4]GB/T 6803-2008，鐵素體鋼的無塑性轉變溫度落錘試驗方法[S].

Test of welding wire utilized for automatic welding of spherical tank

HE Qianjin1，JI Dongbin2，WANG Yong2，FANG Wunong1
（1.HeFei General Machinery Research Institute，National Technology Research Center on Pressure Vessel and Pipeline Safety Engineering，Hefei 230031，China；2.CNPC Dushanzi Petrochemical Company，Dushanzi 833600，China）

Through the welding process performance，the welding procedure qualification，oblique Y-groove weld cracking test，the series of low temperature impact test，welding line energy choice test and drop weight test,the welding process performance，the mechanical properties，crack resistance and crack resistance ofGCR-81Ni1MP weldingwire were studied，and the influence ofenergy on the weld and heat affected zone of the-20℃was also studied，and the ductile brittle transition temperature and NDTT were measured.The results indicated that welding process performance of GCR-81Ni1MP welding wire was excellent，the mechanical properties of the welded joints and the deposited metal were more than the technical requirements.The lowtemperature toughness ofthe weld metal could meet the technical requirements for the weldingline energyin 56 kJ/cm，the toughness and brittleness transition temperature was lower than that of -37℃，and the NDTTtemperature was-55℃.Accordingtothe experimental results，GCR-81Ni1MP weldingwire could be used for all position automatic weldingofQ370R steel spherical tank.

GCR-81Ni1MP welding wire；Q370R automatic welding test of spherical tank；ductile-brittle transition temperature

TG422.3

A

1001-2303（2016）10-0045-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.10.09

獻

何前進，紀東斌，王勇，等.球罐自動焊用焊絲試驗[J].電焊機，2016，46（10）：45-49.

2015-07-20；

2016-08-12

何前進（1980—），男，安徽岳西人，高級工程師，碩士，主要從事壓力容器的制造、安裝和新型焊接材料的開發及國產化等相關工作。