摘要：通過對16MnR低合金鋼的特性及焊接特點進行分析。確定合適的焊接方法和工藝措施，選擇合理的焊接材料，制定焊接工藝評定。焊接質量達到了設備的設計要求。
　　
　　關鍵詞：16MnR低合金鋼，厚壁，焊接，壓力容器
　　前言
　　隨著社會的發展，工業生產建設中對厚壁壓力容器的需求越來越多，由于壓力容器質量要求高，而焊接是壓力容器制造中的關鍵工序，焊縫質量直接影響到壓力容器的運行和安全。一些大型企業通常會采用高科技焊接設備來完成此類設備的焊接工作，但我公司目前現有的設備為普通埋弧自動焊機，因此我們在制作厚壁壓力容器時，須從焊接工藝上著手，嚴格執行焊接工藝規范，以保證設備質量滿足設計要求。
　　1、設備概況
　　保溫罐是氧化鋁廠溶出系統的主要生產設備，該設備設計壓力為8.7MPa，設計溫度為295℃，介質為腐蝕較強的鋁土礦堿性礦漿。封頭、筒體采用16MnR正火狀態鋼板，厚度為90mm，內直徑為2200mm。人孔、法蘭、接管均采用JB4726-2000標準的16MnⅢ級鍛件（正火）。設備總高度為19532mm，總重量為95.5噸。設計要求該設備制造完畢后A、B焊縫須經100%射線探傷，檢查結果符合JB4730-2005Ⅱ級合格，合格后再以每條焊縫長度的20%進行超聲波檢測復驗，按JB4730-2005標準Ⅰ級合格。C、D類焊縫需進行磁粉檢測，按JB4730-2005標準Ⅰ級合格。焊后設備須進行整體熱處理，以消除焊接應力。其技術特性詳見表一。
　　表一技術特性表

　　保溫罐主要由兩個橢圓封頭、簡體、人孔以及各種工藝接管組成。該設備屬Ⅱ類壓力容器，按GB150-1998《鋼制壓力容器》進行制造、試驗和驗收，并符合《壓力容器安全技術監察規程》的規定。由于設備工作壓力大，制造要求高，因此焊接工作成為該設備制造的關鍵技術之一。
　　2、 焊接性分析
　　16MnR鋼是低合金高強鋼，其化學成份及機械性能見表二、表三。
　　表二：16MnR鋼化學成分（%）
　　
　　表三：16MnR鋼力學性能

　　根據國際焊接學會提供的碳當量計算公式可計算出16MnR鋼的碳當量為：Ceq=c=++(%)
　　=0.20+1.6/6%=0.47%
　　根據經驗，當Ceq=0.4～0.60%時，鋼材的淬硬傾向逐漸明顯，隨著板厚的增加，其冷裂傾向也隨之增大，同時，厚壁壓力容器焊接時，焊縫金屬熱裂紋易于在高稀釋率焊道中出現，焊接性較差。需采取適當措施，選擇適當的坡口形式和焊接參數，制定合適的焊接工藝，才能進行焊接。
　　3、保證焊接質量的措施
　　3.1焊接方法
　　根據16MnR鋼的特點和板厚，A、B類焊縫采用手工焊打底，埋弧自動焊填充及蓋面，多層多道焊接；背面清根，將手工焊部份清除，然后用埋弧自動焊填充蓋面。C、D類焊縫采用手工電弧焊，多層多道焊接。本文不多加闡述。
　　3.2焊接材料
　　為了保證焊縫性能同母材匹配，焊縫成分應力求與母材相近。但為了防止焊縫有較大的熱裂傾向，焊縫含碳量往往比母材要低一些。焊縫金屬的強度不宜過高，否則將導致焊縫的塑性，韌性以至抗裂性能下降。
　　參考JB/T4709-2000《鋼制壓力容器焊接規程》的推薦，焊絲選用H10Mn2,焊劑選用HJ431，焊條選用J507.
　　3.3坡口的選擇
　　
　　筒體對接環縫及筒體與封頭對接環縫采用上圖所示坡口型式；筒體對接縱縫原采用上對稱的X型或U型坡口型式，但在進行焊接試驗時，內縱縫焊完后，以外縱縫的首道或第二道焊縫后，馬上在焊縫中心與焊縫平行部位出現裂紋。經分析為凝固裂紋。凝固裂紋是一種熱裂紋，出現在焊縫金屬凝固前后。這是由于埋弧自動焊熔深大，熔池金屬中母材的有害元素滲入過多，較易偏析出低熔點的共晶體，這些低熔點的共晶往往最后凝固，凝固后強度也較低，而且厚壁的X型坡口拘束應力較大，當首道外縱縫焊接時，巨大的剛性拘束作用將焊縫拉開，因此外縱縫根部易于出現凝固裂紋。對此，我們修改了坡口型式，坡口型式選用上圖的不對稱坡坡口形式，重新進行評定，將正面焊接時根部的缺陷在反面焊接前清除掉，減少了凝固裂紋的傾向，同時減少了焊接時的根部缺陷。獲得良好的焊接接頭質量。
　　3.4焊接工藝參數的確定
　　焊接工藝參數確定，是根據16MnR的焊接特性及其厚度比較厚的特點，經過多次焊接工藝評定后，確定了如下的焊接工藝參數，作為產品施焊的指導。
　　焊接參數表

　　對接縱、環縫的焊接
　　所有筒體的對接縱、環縫以及與封頭對接的環縫，均采用手工電弧焊打底，埋弧自動焊填充焊接、蓋面，筒體縱縫帶產品試板一塊。
　　3.1.3焊接工藝參數的選擇
　�。�1）環縫的焊接
　　先施焊內環縫，采用手工電弧焊，φ4mm，E5016焊條打底，電流160~180A，電弧電壓22~24V，然后采用自動埋焊進行填充蓋面，首道焊接采用450~500A電流，28~30V電壓，焊接速度400~450mm/min。以后參照上表參數進行多層多道焊接。然后進行外環縫焊接，先用碳弧氣刨清根，將內面手工焊部份清除干凈，采用埋弧自動焊填充蓋面，H10Mn2+HJ431，焊絲直徑φ4mm，首道焊縫焊接電流550A，電弧電壓30～32V，焊接速度450mm/min，其余焊道焊接電流650A，電弧電壓32~34V，焊接速度450mm/min，蓋面焊接電流650A，電弧電壓34~35V，焊速450mm/min。
　　3.1.4焊縫質量及焊接試板接頭的力學性能
　　按上述焊接工藝規范參數施焊的焊縫，按JB4744-2000《鋼制壓力容器產品焊接試板的力學性能檢驗》標準評定，均達到合格。產品試板焊接接頭力學性能試驗的結果見表6。
　　表六產品試板焊接接頭力學性能

　　3.3焊前準備
　　為確保焊接質量，焊前還需作好下列準備工作：
　�。�1）在施焊前，焊絲、焊劑必須進行烘焙，烘焙溫度為350～450℃，保溫時間為2h。烘焙后放在100～150℃的恒溫箱內，隨用隨取：HJ431進行200～250℃烘焙，保溫時間2小時，隨用隨取。避免因焊材的受潮在焊接過程中產生氣體，從而使焊縫產生氣孔。
　�。�2）用風動手砂輪機清除坡口及周圍25mm以內的油、銹、氧化皮等。避免焊接時產生氣孔、夾渣等缺陷。
　　（3）手工電弧焊選用AX-320直流焊機，埋弧自動焊先用MZ-100型直流埋弧焊機，均采用反極性。
　　3.4施焊過程中的關鍵環節
　　3.4.1預熱溫度的選擇
　　預熱是防止裂紋的有效措施,也有助于改善接頭性能，根據設備的材質及鋼板厚度，參照JB/T4709-2000，選擇預熱溫度為≥150℃。且保證整個焊件在焊接過程中的層間溫度不低于預熱溫度。如有低于預熱溫度時，必須采用輔助加熱措施。
　　3.4.2焊接參數的控制
　　焊接時,應嚴格參照工藝評定確定的參數，選擇正確的焊接電流、焊接速度和裝配間隙。避免因焊接電流過小或焊接速度太快，基本金屬未得到充分熔化而產生未熔合、未焊透現象。
　　3.4.3焊后保溫及后熱
　　由于本設備的材質為16MnR，屬冷裂紋敏感性較大的低合金鋼，且鋼板厚度達90mm，卷制后的拘束度較大。因此，設備的縱環縫焊接完成后應進行后熱處理。后熱溫度在200~350℃，保溫時間在0.5小時后,保溫緩冷，以防止冷裂紋的產生。
　　4熱處理
　　設備焊接完畢后，為清除焊接應力，采用整體爐內退火處理，產品試板隨設備同爐進行熱處理，并進行產品試板的力學性能檢驗。
　　5結束語
　　因該設備在制造過程中，選擇了正確的工藝，并注意關鍵環節的控制，因此，設備經省技術監督局的監檢，一次合格率達100%，設備達到了標準和圖紙設計要求。這也證明了制造中擬定的焊接工藝科學、合理性。
　　
　　參考文獻
　　1《鋼制壓力容器》GB150-1998
　　2《鋼制壓力容器焊接工藝評定》JB4708-2000
　　3《鋼制壓力容器焊接規程》JB4709-2000
　　4《鋼制壓力容器產品焊接試板的力學性能檢驗》JB4744-2000
　　5《焊接手冊》機械工業出版社