厚壁12Cr2Mo1R材料雙絲窄間隙埋弧焊試驗研究

， ， ， ，

(1.上海藍濱石化設備有限責任公司， 上海 201518；2.上海石油化工換熱設備工程技術研究中心， 上海 201518；3.中國石油 大連石化公司， 遼寧 大連 116011)

12Cr2Mo1R屬于抗氫鋼、耐熱鋼，可作為臨氫環境下使用的熱交換器或者反應器的首選材料[1-2]。隨著設備的大型化發展，大型加氫反應器用12Cr2Mo1R材料的厚度也越來越大。在厚壁容器制造中，常規坡口的單絲埋弧焊已經滿足不了設備制造的需求。

為了減少焊接量、節約制造成本并提高焊接效率，雙絲窄間隙埋弧焊已逐漸在厚壁壓力容器制造領域推廣使用。但由于12Cr2Mo1R焊接性特殊，目前12Cr2Mo1R的雙絲窄間隙埋弧焊技術應用并不廣泛。本文通過試驗來確定厚壁12Cr2Mo1R雙絲窄間隙埋弧焊焊接工藝，并驗證所選焊接工藝的可行性。

1 雙絲窄間隙埋弧焊特點

窄間隙埋弧焊是厚板材料焊接領域較為前沿的焊接技術，它采用獨特的窄間隙坡口形式(圖1a)，與常規單絲埋弧焊坡口(圖1b)相比，窄間隙埋弧焊可顯著節省熔敷金屬量，縮短焊接時間[3-6]。

圖1 埋弧焊常用坡口形式

雙絲窄間隙埋弧焊采用雙絲縱向排列，通常情況下，前絲為直流反接的彎絲，保證與母材熔合；后絲為交流方波的直絲，可改善焊道成型。雙絲窄間隙埋弧焊可進一步提高生產效率，改善勞動強度，而且焊接過程中可以充分利用后續焊道對前層焊道的熱處理作用，提高接頭的力學性能[7]。但雙絲焊接時焊接線能量急劇增加，容易造成焊接接頭晶粒粗大，影響焊縫性能。當母材為低合金高強鋼、耐熱鋼及高合金鋼等材料時，這種影響尤為明顯。

2 12Cr2Mo1R雙絲埋弧焊焊接性分析

12Cr2Mo1R中的主要合金元素為Cr和Mo，其碳當量較高，接頭有很高的淬硬和冷裂傾向，焊接過程中主要存在熱影響區、焊縫區組織硬化，產生冷裂紋等問題。12Cr2Mo1R及其接頭在375～565 ℃長期工作會產生明顯的第二類回火脆化，主要表現為沖擊韌性迅速下降以及韌脆轉變溫度升高[8-10]。由于大部分設備不可避免地會長期處于回火脆化溫度區，因此只能通過合理的焊接參數選擇、焊接過程控制及熱處理控制來防止接頭發生馬氏體淬硬轉變，并將材料及接頭的回火脆化程度降到最低。

對于厚壁12Cr2Mo1R，當采用雙絲埋弧焊時，由于壁厚大、焊接層道次多且焊接線能量大，焊縫的含氫量及殘余應力急劇提升，不僅增大了焊縫的冷裂傾向，而且容易造成焊接接頭的強度及韌性急劇下降。

本文對137 mm厚的12Cr2Mo1R進行雙絲窄間隙埋弧焊，共焊接2件試板，焊后分別進行最大模擬焊后熱處理(Max.PWHT)及最小模擬焊后熱處理(Min.PWHT)。通過拉伸試驗、低溫沖擊試驗、步冷試驗及金相檢驗等驗證所選焊接工藝的可行性。

3 雙絲埋弧焊焊接試驗試板制備

3.1 試驗材料

12Cr2Mo1R鋼板的供貨商為舞陽鋼鐵股份有限公司。鋼板厚度為137 mm，供貨狀態為正火+回火，其化學成分見表1。截取規格為1 000 mm×150 mm×137 mm的試驗試板待用。

表1 12Cr2Mo1R鋼板化學成分(質量分數) %

3.2 主要焊接參數

3.2.1焊接電流

雙絲埋弧焊采用的前導絲為直流彎絲，后絲為串列的交流直絲。選擇兩絲極電流時需要考慮2個絲極各自的電流大小及其之間的合理配合。直絲對接頭熱循環參數的影響大于彎絲，為保證接頭形成過程中的熱循環參數相對穩定，避免過大的熱輸入影響接頭組織性能，當前導絲極電流設置較大時，串列絲極的電流應適當減小，反之則應適當加大。根據前期試驗結果，本試驗采用的直流彎絲電流為520～550 A，交流直絲電流為450～480 A。

3.2.2焊接電壓

前絲的電壓應控制在合理范圍內，可適當降低以確保焊縫的熔深。后絲采用的是交流電源，電弧穩定性相對差。后絲焊接時要首先穿透前絲形成的渣殼，為保證焊縫的寬厚比，則要適當提高后絲的焊接電壓值，故前導絲極的焊接電壓為30～32 V，稍低于后列絲極32～34 V的焊接電壓。

3.2.3焊接速度

雙絲埋弧焊焊接時，有2個電弧熱源對焊道同一部位同時加熱，若焊接速度較低，會造成焊縫局部長時間受電弧熱作用而使產生的焊縫晶粒粗大。同時，焊劑大量熔化會產生大量氣體，這些氣體在焊接過程中因體積膨脹會不斷以炸裂形式從熔融焊劑層下排出，引起熔融焊劑的飛濺，使得電弧電壓反饋控制的串列絲極焊接極不穩定。

因此，進行試件雙絲埋弧焊焊接時選用了400 mm/min相對較高的焊接速度，以避免焊道產生未焊透和夾渣等缺陷。

3.2.4雙絲間距離

雙絲埋弧焊時，前后絲的間距影響著焊道的整個熱過程。當兩絲間距離過大時，前絲焊道已凝固，

而后絲電弧的熔化金屬才開始結晶，此時焊道的熔池體積相當于單絲焊的，但焊接熱輸入量已遠高于單絲焊，易引起接頭韌性急劇下降。因此需適當減小兩絲間距離，使焊縫熔池受雙絲電弧同時作用，有利于增大熔池體積、減小液態金屬表面張力，促使液態金屬向四周流動，既有利于焊道的成型又可起到回火焊道細化晶粒的作用，進而改善接頭的韌性。

3.3 試板焊接及熱處理

焊接坡口選擇圖1a所示的窄間隙坡口形式。選擇焊接材料時要考慮焊縫金屬的化學成分接近母材，以有效防止高溫環境下元素擴散降低接頭高溫性能[11]。此次焊接用焊絲為日本神鋼的US-521S，焊劑為PF200D。按照前期針對性試驗逐一確定的主要焊接參數的最佳范圍，采用雙絲埋弧焊焊接試板。焊接過程中，電流穩定，渣殼自動翹起，脫渣容易，無黏渣，焊道均勻，成型良好。

熱處理采用了焊后消氫熱處理+Max.PWHT和焊后消氫熱處理+Min.PWHT這2種工藝。焊后消氫熱處理工藝參數為350 ℃×2 h，以確保擴散氫充分溢出，防止焊縫產生氫致裂紋。Min.PWHT工藝參數為690 ℃×8 h，Max.PWHT工藝參數為690 ℃×32 h。

4 雙絲埋弧焊焊接試驗結果

4.1 無損檢測

依據NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》[12]對焊接接頭進行磁粉檢測、超聲檢測及射線檢測，未發現任何超標缺陷。

4.2 理化檢驗

4.2.1化學成分

在Min.PWHT狀態試板焊縫上取樣進行化學成分分析，結果見表2。

表2 Min.PWHT狀態試板焊縫化學成分(質量分數) %

從表2結果可以看出，試板焊縫中所有元素的化學成分與母材接近。由于12Cr2Mo1R含有引發回火脆化傾向的雜質元素As、Sn、Sb、P等，且長期在370～565 ℃使用，故會產生較大的回火脆化傾向[13]，可參照12Cr2Mo1R的回火脆性敏感性系數X來衡量焊縫的回火脆化傾向[14]。12Cr2Mo1R的回火脆性敏感性系數X計算公式：

X=[10×w(P)+5×w(Sb)+4×w(Sn)+w(As)]×10-2

(1)

進行計算時，將式(1)中元素的質量分數換算成質量濃度代入，如質量分數0.01%以100 mg/L代入。經過計算，本試板焊縫的X=10.3 mg/L，滿足工程上小于15 mg/L的要求，焊接接頭的回火脆性傾向較小。

4.2.2拉伸試驗

對Min.PWHT及Max.PWHT這2種狀態下的焊接試板進行焊接接頭和全焊縫金屬的常溫及550 ℃的高溫拉伸試驗，試驗結果見表3。表3中Rm為抗拉強度，Rp0.2為規定塑性延伸率0.2%時的強度。

表3 2種模擬熱處理狀態下試板拉伸試驗結果 MPa

焊接接頭拉伸試樣的斷裂位置均為母材，所有試樣常溫下的抗拉強度遠高于母材標準要求的材料最低抗拉強度520 MPa。而全焊縫金屬的抗拉強度均稍高于焊接接頭的抗拉強度。由此可見，在雙絲埋弧焊焊接工藝選擇合理的情況下，焊縫金屬以及焊接接頭的常溫及高溫抗拉強度完全能夠滿足工程要求。

4.2.3沖擊試驗

在試板厚度T的不同方向上分別制取焊縫區、焊縫熱影響區及母材區沖擊試樣。Max.PWHT和Min.PWHT這2種熱處理狀態下試樣的-30 ℃沖擊試驗結果見表4。

表4 2種模擬熱處理狀態下試樣-30 ℃沖擊試驗結果 J

從表4可以看出，所有位置的試樣沖擊功均滿足大于54 J的要求。焊縫區的沖擊功相對熱影響區和母材區的沖擊功低，但是遠高于合格指標54 J。

4.2.4步冷試驗及回火脆化傾向評定

回火脆性敏感性系數X一般作為初步判定回火脆化敏感材料的方法，而通過步冷試驗及回火脆化傾向評定可直接驗證試板焊縫、焊縫熱影響區的回火脆化傾向。

對Min.PWHT的焊接接頭及熱影響區進行分步冷卻熱處理(S.C)，讓試件在短時間內產生最大的回火脆化。對分步冷卻熱處理前后的接頭焊縫區和焊縫熱影響區進行系列低溫沖擊試驗，得到的回火脆化溫度-沖擊功曲線見圖2。

焊接接頭回火脆性傾向評定公式為：

VTr54+3ΔVTr54<10 ℃

(2)

式中，VTr54為Min.PWHT后試樣沖擊功為54 J的轉變溫度，ΔVTr54為步冷前后沖擊功為54 J的轉變溫度的增量，℃。

將圖2中各數值代入式(2)計算可以知道，焊縫區及焊縫熱影響區的VTr54+2.5ΔVTr54分別為-16.8 ℃和-55.9 ℃，均滿足式(2)的要求，接頭回火脆性傾向較小。

圖2 Min.PWHT焊接接頭回火脆化溫度-沖擊功曲線

4.2.5金相檢驗

在Min.PWHT試樣的T/2及T/4處分別取樣，進行焊縫區、熱影響區及母材區的微觀組織觀察，見圖3。

圖3 Min.PWHT狀態焊接接頭金相顯微組織(500×)

由圖3所示的焊接接頭不同區域的金相組織可以看出，2個厚度方向相同區域的金相顯微組織基本一致。圖3a和圖3d所示的母材區顯微組織主要為晶粒細小且均勻的粒狀貝氏體，圖3b和圖3e所示的近焊縫熱影響區顯微組織主要為粒狀貝氏體及少量彌散分布的碳化物，圖3c和圖3f所示的焊縫區顯微組織主要為粒狀貝氏體、少量鐵素體和彌散分布的碳化物。由此可見，各區組織形態均為12Cr2Mo1R的正常組織形態[15-18]。

5 雙絲埋弧焊焊接試驗結果分析

雙絲埋弧焊焊縫化學成分分析結果滿足工程值的要求，說明雙絲埋弧焊的較大熱輸入過程并未使焊縫產生嚴重的合金元素燒損。這是由于焊接材料本身可以進行合金元素補償，而且埋弧焊焊劑熔化形成熔渣并產生某種氣體，可以有效隔絕空氣，保護熔滴、熔池和焊接區，防止焊縫金屬化和合金元素的燒損。同時，通過調節適當的雙絲間距，避免了焊縫金屬在焊接過程中受熱時間過長，降低了元素的燒損率。

焊縫區的沖擊功略低于焊接接頭熱影響區和母材區的沖擊功，這是由于雙絲埋弧焊的焊接熱輸入量大且集中，會一定程度造成部分合金元素燒損，合金元素減少使沖擊功有所降低，但焊縫沖擊功仍有較大的余量，該工藝下的焊接接頭仍然具有良好的沖擊韌性。

金相組織觀察證明焊縫區和熱影響區未出現粗大組織及未分解的馬氏體，金相組織狀態較好。這是因為多層多道焊熱過程的疊加及雙絲埋弧焊較大的焊接熱輸入有利于貝氏體回火組織的充分轉變。同時厚壁焊縫散熱較慢的特性及合理的焊后熱處理工藝，確保了馬氏體的完全分解。

6 結語

厚壁12Cr2Mo1R雙絲窄間隙埋弧焊焊接試驗中所選用的焊接材料及焊接坡口可實現高質量的雙絲窄間隙埋弧焊，通過焊接材料及焊接工藝控制可保證焊縫的主要合金元素與母材接近，其他微量元素在工程允許范圍內。焊接接頭沖擊韌性較好且強度遠高于材料標準要求的最低值，焊縫區和熱影響區抗回火脆化性能完全滿足工程要求。焊接接頭顯微組織主要為粒狀貝氏體組織，為正常的組織形態。各種試驗結果證明，文中所確定的雙絲窄間隙埋弧焊工藝完全可行，能大幅提高生產效率、縮短制造周期并降低生產成本。