20MnMo超厚鍛件不銹鋼堆焊工藝

楊華彬

摘 要：20MnMo鍛件的供貨熱處理狀態為淬火+回火（Q+T），經過淬火+回火后的顯微組織是回火低碳馬氏體、下貝氏體或回火索氏體，這類組織雖然可以保證較高的力學性能但在焊接熱影響區容易產生冷裂紋和韌性下降。本文介紹了為完成超厚鍛件的不銹鋼帶極堆焊施工任務所采取的焊接工藝措施。

關鍵詞：20MnMo；超厚鍛件；帶極堆焊

中圖分類號：TG455 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）10-0056-01

1 前言

粗甲醇水冷器設備管板為20MnMo鍛件堆焊不銹鋼耐蝕層，尺寸為φ2700×400mm堆焊耐蝕層厚度為6mm。由于堆焊工作量大、工期緊我們決定采用埋弧自動帶極堆焊，對鍛件邊緣無法進行帶極堆焊的部位采用焊條電弧焊。

2 焊接性分析及對策

20MnMo鍛件的供貨熱處理狀態為淬火+回火（Q+T），經過淬火+回火后的顯微組織是回火低碳馬氏體、下貝氏體或回火索氏體，這類組織雖然可以保證較高的力學性能但在焊接熱影響區容易產生冷裂紋和韌性下降[1]。焊接熱影響區韌性下降的問題可以通過控制焊接熱輸入的大小的方法來解決，焊接熱輸入的大小已通過事先的焊接工藝評定驗證進行了驗證。本文著重介紹施焊過程中為預防焊接冷裂紋的產生所采取的措施。眾所周知，焊接冷裂紋產生的三要素是拘束應力、擴散氫以及淬硬傾向。超厚20MnMo鍛件調質狀態下的淬硬傾向以及拘束應力敏感性都很大。待施焊的管板是厚度達到400mm的超厚鍛件，厚度的增加直接導致了焊接過程中產生較大的拘束應力，同時厚度較大如果預熱不均勻也會產生較大的內應力。為了防止冷裂紋的產生施工過程中我們從拘束應力、擴散氫以及淬硬傾向三個方面采取了如下措施：（1）嚴格清理待焊表面鐵銹、氧化皮、油污等；（2）嚴格按要求烘干焊條、焊劑；（3）預熱采用大型加熱爐進行爐內預熱保證預熱均勻；（4）預熱好后出爐將除了待堆焊面外的各個面用保溫石棉包裹防止熱量散失過快；（5）焊接過程中停止施焊或焊接完成后應進行焊后消氫處理；（6）焊后進行消除應力熱處理。

3 減小焊接變形

埋弧自動帶極堆焊的熱輸入較大，為防止管板產生超差變形我們在生產過程中采用中心對稱交叉的焊接順序。沿著中心線將圓周按逆時針標注為0°、90°、180°、360°，第1層的第1道沿直徑從0°方向起弧焊到180°熄弧；第2道從直徑的右側從180°方向啟弧焊到0°熄弧；第3道從直徑的左側從0°方向啟弧焊到180°熄弧，按如此規律上下兩半圓周對稱施焊且相鄰兩焊道（即2和4道，3和5道）的施焊方向相反。第2層的施焊方向為90°到360°或360°到90°；施焊順序與第1層相同；第3層的施焊方向及順序均勻第1層相同；第4層的施焊方向及順序均勻第2層相同。

4 焊接與熱處理

4.1 焊接設備及材料

焊接設備采用MZ-1000埋弧自動焊、ZX7-400逆變直流焊機。

帶極堆焊采用工藝性能優良的燒結焊劑，過渡層焊帶選擇HW-H309L配合HW-SJ304焊劑，面層焊帶選擇HW-H308L配合HW-SJ303焊劑；焊條電弧焊過渡層采用A302焊條，面層采用A102焊條。

4.2 焊前準備

（1）認真清除待焊表面鐵銹、氧化皮、油污等，對待焊表面進行MT 100%檢測I級合格，檢測后將耦合劑清洗干凈；（2）將焊條放入烘箱，烘干溫度為150℃，烘干1小時后放入保溫箱保溫備用；（3）將焊劑放入烘箱，烘干溫度為300～350℃，烘干2小時后放入保溫箱保溫備用。

4.3 工藝參數

由于管板厚度較厚，所以預熱溫度適當提高具體溫度為180℃～200℃，過渡層層間溫度為180℃。為驗證焊接質量管板施焊的同時以相同的條件焊接一塊1000×200×80mm（厚度選擇80mm考慮到側彎試樣厚度過大難以彎曲）試板，焊接層次共4層，第1層第2層為過渡層，第3層第4層為面層（包括加工余量），具體焊接參數見焊接工藝參數表1。

4.4 焊后消氫熱處理

焊接過程中停止施焊或焊接完成后應將管板均勻加熱到300-350℃保溫4小時后緩冷，如繼續施焊預熱溫度應滿足上文要求。

4.5 焊后消除應力熱處理

外觀檢測合格后進行消除應力熱處理。20MnMo鍛件回火溫度最低不得小于620℃[2]。為了不破壞材料的供貨狀態后續熱處理溫度應小于材料回火溫度，其差值至少為30℃[3]。所以，消應熱處理溫度選擇580℃±10℃，根據管板厚度選擇保溫時間為5.5小時，進爐溫度不大于400℃。由于厚度較大升溫速度和降溫速度過快會產生內應力，故選擇較小的升溫速度和降溫速度具體為60-70℃/h。

5 檢測結果

對堆焊表面進行PT 100%檢測，I級合格；UT 100%檢測，I級合格。同時在試板上取4個側彎試樣進行彎曲試驗，彎曲半徑為40mm，彎曲角度180°，實驗結果合格。在試板表面一下3-4mm處鉆取金屬碎屑進行理化分析，帶極堆焊及焊條電弧焊區域分別隨機取三處共6處。對6份樣品分別進行C、Mn、Si、S、P、Cr、Ni七元素測定，帶極堆焊處3份樣品七種元素含量均符合HW-H308L焊絲成分要求；焊條電弧焊處3份樣品七種元素含量均符合A102焊條成分要求。

6 結論與討論

通過對試板的檢測可以認定本次20MnMo管板堆焊工藝參數、焊接材料的選擇以及消應熱處理的溫度和時間的確定是合理的，能夠滿足設備的性能需要。

本次帶極堆焊施工過程中過渡層堆焊和面層堆焊采用了不同的焊劑。雖然圓滿的完成施工任務，但是兩種焊劑的使用從采購和焊材管理方面都增加了成本，在以后的工作和生產中我們會探索使用一種焊劑配合相應焊帶完成不銹鋼耐蝕帶極堆焊。

參考文獻

[1]李亞江.焊接冶金學-材料焊接性[M].2007年1月第一版.

[2]章小滸，等.NB/T47004《承壓設備碳素鋼和合金鋼鍛件》[S].

[3]戈兆文，等.NB/T47015《壓力容器焊接規程》[S].