徐然

（四川西冶新材料股份有限公司，四川成都611700）

530mm超厚20MnMoNb鍛件的窄間隙埋弧焊

徐然

（四川西冶新材料股份有限公司，四川成都611700）

對深海試驗裝置930壓力筒的主體材料20MnMoNb鍛件進行焊接性分析，針對530mm超厚鍛件試板的焊接結(jié)構(gòu)，制定合適的焊接工藝方案，預(yù)防焊接缺陷的產(chǎn)生。采用窄間隙埋弧焊焊接試板，試板經(jīng)焊后熱處理后進行無損檢測和力學(xué)性能檢測，檢測結(jié)果均符合設(shè)計要求，焊縫一次合格，完成了焊接工藝評定，為930壓力筒的制造奠定了堅實的基礎(chǔ)。對焊縫進行微觀組織分析，發(fā)現(xiàn)其中有細(xì)小的針狀鐵素體析出，細(xì)化了粗大的晶粒，這對焊接接頭的力學(xué)性能有一定的改善作用。本次焊接工藝評定的完成，對超壁厚焊接結(jié)構(gòu)的問題解決提出了新的思路。

窄間隙埋弧焊；530 mm厚度；20MnMoNb鍛件

0 前言

930壓力筒是我國目前最大的模擬深海壓力試驗裝置，壓力筒內(nèi)徑3 000 mm，最大壁厚530 mm。筒內(nèi)能夠提供90MPa壓力，即最高模擬9000m深海壓力環(huán)境，為我國深海裝備的研發(fā)提供了必要的壓力環(huán)境試驗平臺，對我國深海資源的開發(fā)意義重大。

930壓力筒設(shè)備的主體材料為20MnMoNb大型鍛件，筒體壁厚達(dá)到530 mm，超厚結(jié)構(gòu)的焊接操作難度大，也會帶來很大的焊接殘余應(yīng)力[1]；同時由于20MnMoNb材料本身就具有淬硬傾向，所以必須采取措施預(yù)防焊接裂紋的產(chǎn)生。

為保證930壓力筒環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量，需要在產(chǎn)品制造前按照NB/T47014-2011《承壓設(shè)備用焊接工藝評定》[2]標(biāo)準(zhǔn)要求完成焊接工藝評定。焊接工藝評定過程為：根據(jù)20MnMoNb母材的焊接性，制定焊接工藝方案，施焊試板和制取試樣，并對焊接接頭進行無損檢測和理化性能檢測，分析這些檢測結(jié)果是否符合設(shè)計技術(shù)條件的要求，最后形成焊接工藝評定報告對該焊接工藝方案進行評價。

1 材料的焊接性

1.1 20MnMoNb鍛件的化學(xué)成分

20MnMoNb鍛件化學(xué)成分如表1所示。

表1 530 mm厚20MnMoNb鍛件的化學(xué)成分Table 1 Chemic al component of 530 mm thickness 20-MnMoNb forging %

冷裂紋敏感性指數(shù)為

根據(jù)經(jīng)驗，當(dāng)Pcm＞0.25時，材料會表現(xiàn)出較明顯的冷裂紋敏感性，焊接時要采取預(yù)熱、后熱等措施。將表1中的化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)代入式（1），Pcm=0.339＞0.25，所以20MnMoNb鍛件母材對焊接冷裂紋較為敏感。

熱裂紋指數(shù)計算公式為

當(dāng)U·C·S＜25時，一般不會產(chǎn)生熱裂紋。將表1中的數(shù)據(jù)代入式（2），U·C·S=39.53，所以20MnMoNb鍛件母材對焊接熱裂紋也比較敏感。

1.2 20MnMoNb鍛件的力學(xué)性能

由于20MnMoNb鍛件的厚度較大，其心部很難獲得非常細(xì)化的晶粒。由圖1可知，20MnMoNb鍛件試板金相組織為較粗大的貝氏體，其力學(xué)性能如表2所示。材料的強度較高，延伸率較低，較為脆硬。

2 焊接工藝方案制定

2.1 方案制定原則

用于評定的焊接工藝方案中的重要變素、附加重要變素、非重要變素等都與正式產(chǎn)品筒體的焊接條件盡可能相同。這樣一旦本次焊接工藝評定合格，該焊接工藝方案就能直接用于正式產(chǎn)品的筒體環(huán)焊縫焊接，具有很強的指導(dǎo)意義。

2.2 試板的結(jié)構(gòu)形式

圖1 530 mm厚20MnMoNb鍛件試板的顯微組織Fig.1 Macrostructure of 530 mm thickness 20MnMoNb forging

表2 530 mm厚20MnMoNb鍛件的力學(xué)性能Table 2 Mechanical property of 530 mm thickness 20-MnMoNb forging

20MnMoNb鍛件焊接工藝評定試板尺寸規(guī)格為530 mm×400 mm×600 mm，共2件，其厚度與930壓力筒的筒體相同，評定試板組對后用防變形工裝在兩側(cè)焊接固定，同時在坡口兩端焊接引、收弧板，如圖2所示。

圖2 焊接工藝評定試板Fig.2 Welding procedure qualification test plate

2.3 試板的坡口形式

為減少焊縫金屬的填充，盡量降低焊接過程中氫的積累和焊接應(yīng)力，設(shè)計了單面窄間隙焊接坡口，整條焊縫采用窄間隙埋弧焊，坡口形式如圖3所示。由于坡口很窄，在焊接過程中一旦出現(xiàn)夾渣、未熔合、裂紋等焊接缺陷，無法采用砂輪在深坡口內(nèi)打磨清除缺陷，機加工的刀具也無法滿足坡口內(nèi)加工的剛度要求，除非將整條焊縫切割開重新返工。所以要求必須一次焊接合格。

圖3 530 mm深窄間隙焊接坡口示意Fig.3 Diagrammatic drawing of 530 mm depth narrow welding gap

2.4 焊接設(shè)備的改造

為實現(xiàn)530 mm深窄間隙坡口焊接，對普通的窄間隙埋弧自動焊機進行設(shè)備改造，更換成600 mm深坡口機頭，如圖4所示。

圖4 600 mm深坡口窄間隙焊機機頭Fig.4 600 mm depth head of narrow gap welding machine

2.5 焊接材料的選擇

為降低焊接缺陷產(chǎn)生的傾向，焊接材料必須具有良好的焊接工藝性，主要是深坡口的脫渣性以及焊道上不能存在粘渣。經(jīng)過工藝試驗的篩選，選用進口焊材Union S 3NiMo1 φ4.0焊絲配UV420TTR焊劑。如表3所示，焊材的熔敷金屬中C、P、S等元素的含量較低，能夠有效降低焊縫的淬硬傾向，預(yù)防焊接冷、熱裂紋的發(fā)生。

2.6 預(yù)熱、層間溫度和后熱

預(yù)熱和后熱可以縮小試板在焊接過程中的溫度梯度，降低焊接應(yīng)力，后熱還可以促使焊縫中殘余的擴散氫逸出，降低產(chǎn)生焊接冷裂紋的傾向。采用較低的層間溫度能夠有效預(yù)防熱裂紋的產(chǎn)生。

表3 蒂森焊材的熔敷金屬化學(xué)成分Table 3 Chemical component of deposited metal of Thyssen welding material %

由于工藝評定試板厚度較大，要求控制預(yù)熱溫度不低于180℃，層間溫度不超過250℃。后熱參數(shù)為（300℃～350℃）×2 h。

2.7 焊接工藝參數(shù)

根據(jù)20MnMoNb鍛件母材的強度、試板厚度和預(yù)防焊接裂紋等因素，設(shè)計了窄間隙埋弧焊的焊接工藝參數(shù)，如表4所示。

表4 530 mm厚20MnMoNb試板焊接工藝參數(shù)Table 4 Welding parameter for 530 mm thickness 20-MnMoNb test plate

2.8 焊后熱處理

焊后熱處理能夠有效消除焊接殘余應(yīng)力[4]?？紤]到930壓力筒產(chǎn)品焊接的焊后熱處理要求，先分割焊后的工藝評定試板，然后按照以下兩種熱處理工藝分別對分割開的兩塊試板進行焊后熱處理。最大焊后熱處理：Max.PWHT（590±10）℃×20+2h；最小焊后熱處理：Min.PWHT（590±10）℃×8+1h。

3 評定試板的焊接

按照上述焊接工藝方案實施工藝評定試板的焊接，如圖5所示，采取以下措施保證焊接質(zhì)量：

（1）嚴(yán)格按照工藝方案要求控制焊接工藝參數(shù)。

（2）由于試板很厚，不可能在短時間內(nèi)焊完。為防止冷裂紋的產(chǎn)生，在中間停焊時一直保持試板溫度在180℃以上。

（3）每一道焊道焊接完后都仔細(xì)清理焊渣，觀察焊道成形和側(cè)壁熔合是否良好，是否有缺陷產(chǎn)生。

圖5 焊接工藝評定試板的焊接過程Fig.5 Welding process of the qualification test plate

4 焊縫無損檢測

在工藝評定試板焊接完成并經(jīng)歷焊后熱處理后，需按設(shè)計技術(shù)條件要求對焊縫進行無損檢測。因試板厚度太大，無法采用常規(guī)X射線（RT）檢測方法檢測焊縫內(nèi)部，按NB/T47013-2010《承壓設(shè)備無損檢測》標(biāo)準(zhǔn)，采用超聲成像（TOFD）和超聲波（UT）檢測方法對焊縫進行了100%范圍的檢測，檢驗結(jié)果為Ⅰ級（合格），焊縫一次焊接合格。

5 焊接接頭的力學(xué)性能檢測

分別對兩件經(jīng)歷不同焊后熱處理的20MnMoNb試板在全截面厚度上分層取樣，進行焊接接頭的拉伸和側(cè)向彎曲試驗。在試板焊縫中心的上表面、焊縫中心T/2處、焊縫中心3T/4處、熱影響區(qū)T/2處取樣，進行沖擊試驗。這些力學(xué)性能試驗的取樣數(shù)量、試驗方法和合格指標(biāo)的判定等符合NB/T47014-2011標(biāo)準(zhǔn)的要求。焊接接頭的力學(xué)性能如表5所示，各項數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計技術(shù)條件的要求。力學(xué)性能檢測后的試樣如圖6所示。

表5 530 mm厚20MnMoNb試板焊縫的力學(xué)性能Table 5 Mechanical property of the weld of 530 mm thickness 20MnMoNb test plate

圖6 力學(xué)性能檢測試樣Fig.6 Lateral bending specimens

6 焊接接頭組織分析

6.1 宏觀截面

焊縫全截面的焊接形貌如圖7所示，焊縫填充均勻細(xì)膩，晶粒細(xì)小，沒有粗大的柱狀晶，以及氣孔、夾渣、未焊透、裂紋等可見缺陷。

圖7 530 mm厚20MnMoNb工藝評定試板焊縫全截面Fig.7 Total weld cross-section of 530 mm thickness 20-MnMoNb test plate

6.2 金相組織

對焊接接頭進行拋光、腐蝕觀察其金相組織，如圖8所示。經(jīng)過窄間隙埋弧焊熱源的熱循環(huán)作用，以及不同焊層之間的自回火作用，相對于母材區(qū)域較為粗大的貝氏體晶粒，熱影響區(qū)的晶粒被較小的針狀鐵素體細(xì)化。焊縫中心的晶粒也比較細(xì)小，針狀鐵素體析出、長大明顯。這些針狀鐵素體的出現(xiàn)使得以往在焊后沖擊韌性劇烈下降的焊縫性能得到了一定程度的改善[5]。

7 結(jié)論

（1）分析530 mm超厚20MnMoNb鍛件的焊接性，制定焊接工藝評定試板的焊接工藝方案。在焊接設(shè)備、焊接材料、焊接工藝等方面采取有效的技術(shù)措施，克服了材料化學(xué)成分和焊接結(jié)構(gòu)帶來的焊接冷、熱裂紋等缺陷傾向，完成試板的焊接。焊縫一次焊接、探傷合格，各項力學(xué)性能數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計技術(shù)條件的要求。

（2）分析焊縫金相組織，發(fā)現(xiàn)焊縫熱影響區(qū)和焊縫中心有不同取向的針狀鐵素體析出，細(xì)化了母材粗大的貝氏體晶粒，這對焊縫的強度和韌性都有一定程度的改善作用。

（3）試驗結(jié)果表明，530 mm超厚20MnMoNb鍛件的焊接工藝評定合格，焊接方案可以用于930壓力筒產(chǎn)品筒體環(huán)焊縫的焊接。此項焊接工藝評定為930壓力筒正式產(chǎn)品的制造奠定了堅實的基礎(chǔ)，同時對超壁厚深坡口焊接結(jié)構(gòu)的焊接技術(shù)提出了新的思路。

圖8 接頭區(qū)域顯微組織Fig.8 Macrostructure of weld joint

[1]王艷飛，耿魯陽，鞏建鳴，等.EO反應(yīng)器20MnMoNb特厚度管板拼焊殘余應(yīng)力與變形有限元模擬[J].焊接學(xué)報，2012，33（11）：63-66.

[2]NB/T 47014-2011，承壓設(shè)備焊接工藝評定[S].

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Narrow-gap submerged arc welding for 530mm thickness 20MnMoNb forging

XU Ran
（Sichuan Xiye New Material Co.，Ltd.，Chengdu 611700，China）

In this paper,the weldability of 20MnMoNb forging is analyzed.It is the main material of the undersea test equipment 930 pressure tank.An appropriate welding technology plan is formulated to avoid welding defects for the welding structure of 530 mm super thickness forging test plate.And the narrow-gap submerged arc welding is adopted to complete the test.After PWHT，the welds of test plate pass the NDT test and mechanical properties test without any repair，the results meet the design requirement，which means the test plate passes the welding procedure qualification.This lays a solid foundation for the manufacture of 930 pressure tank.Besides，the microstructure of weld is analyzed and many tiny acicular ferrite precipitates are found.These precipitates refine grain and improve the mechanical property of welded joint.The achievement of this welding procedure qualification puts forward a new idea for the welding structure with super wall thickness.

narrow-gap submerged arc welding；530 mm thickness；20MnMoNb forging

TG409

A

1001－2303（2017）04－00

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.04.

獻

郭吉昌，朱志明，閆國瑞，等.基于UG的弧焊機器人離線編程系統(tǒng)開發(fā)[J].電焊機，2017，47（01）：1-6.

2016-07-29；

：2017-04-10

徐 然（1983—），男，黑龍江齊齊哈爾人，工程師，碩士，主要從事焊接材料的研發(fā)工作。