12Cr2Mo1R 鋼自動(dòng)埋弧焊工藝研究與分析

彭 靜， 鄭家勝， 程 勇， 凌羽東， 馮 偉

（1. 合肥紫金鋼管股份有限公司， 合肥230051； 2. 安徽省特種設(shè)備檢測(cè)院， 合肥230051；3. 合肥巨一動(dòng)力系統(tǒng)有限公司， 合肥230051； 4. 雅德應(yīng)用科技大學(xué)， 德國(guó)26389；5. 哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司， 哈爾濱150028）

Cr-Mo 合金鋼12Cr2Mo1R 屬于耐熱鋼， 具有良好的高溫強(qiáng)度、 抗蠕變、 抗氧化及耐腐蝕等綜合性能， 是石油工業(yè)及發(fā)電設(shè)備中高溫高壓管道和鍋爐用鋼的優(yōu)選鋼種。 12Cr2Mo1R 鋼具有很強(qiáng)的淬硬傾向， 自動(dòng)埋弧焊接難度大。

本研究通過(guò)進(jìn)行自動(dòng)埋弧焊接工藝試驗(yàn)、 研究焊接工藝參數(shù)、 檢測(cè)焊縫力學(xué)性能， 獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭， 以期獲得最佳的12Cr2Mo1R 鋼自動(dòng)埋弧焊焊接工藝， 為12Cr2Mo1R 鋼管的自動(dòng)埋弧焊接工藝應(yīng)用于煉化裝置提供技術(shù)支持。

1 化學(xué)成分與力學(xué)性能

焊接試驗(yàn)采用舞陽(yáng)鋼鐵有限責(zé)任公司生產(chǎn)的厚度為30 mm 的12Cr2Mo1R 鋼板， 其力學(xué)性能見(jiàn)表1， 化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表1 12Cr2Mo1R 鋼板力學(xué)性能

表2 12Cr2Mo1R 鋼板化學(xué)成分 %

2 12Cr2Mo1R 鋼焊接性

根據(jù)12Cr2Mo1R 鋼板的化學(xué)成分計(jì)算可得，碳當(dāng)量Ceq 極高， 為0.95%。 焊接時(shí)接頭區(qū)域有很強(qiáng)的淬硬和冷裂傾向， 為防止裂紋的產(chǎn)生， 要采取焊前預(yù)熱、 控制層間溫度、 降低接頭的冷卻速度等措施來(lái)防止產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變。 接頭在焊后還要進(jìn)行熱處理， 消除焊接殘余應(yīng)力， 改善接頭的組織和性能。

焊前預(yù)熱溫度控制在150～250 ℃， 層間溫度選擇120～250 ℃， 稍高的預(yù)熱溫度和層間溫度可有效地防止12Cr2Mo1R 鋼焊接接頭處產(chǎn)生應(yīng)力和裂紋。

12Cr2Mo1R 鋼及其焊接接頭在350～500 ℃溫度時(shí)會(huì)產(chǎn)生回火脆性， 在指定焊后熱處理工藝時(shí)， 除了選擇合適的熱處理溫度外， 還要控制接頭的冷卻速度， 使之既能達(dá)到回火目的， 又能避免產(chǎn)生回火脆性。

3 焊前準(zhǔn)備

3.1 焊接試板

選用符合GB 713—2014 《鍋爐和壓力容器用鋼板》 的12Cr2Mo1R 對(duì)接試板2 塊， 試板規(guī)格為600 mm×200 mm×30 mm， 為了保證焊接應(yīng)力的內(nèi)外均衡， 焊接采用內(nèi)坡口小外坡口大的雙面X 形坡口， 坡口及尺寸如圖1 所示。

圖1 焊接坡口及尺寸示意圖

12Cr2Mo1R 鋼具有很強(qiáng)的淬硬特性， 熱切割后硬度大幅增加， 影響焊接質(zhì)量。 因此， 焊接坡口采用機(jī)械加工， 加工面要求光滑、 無(wú)鋸齒。坡口邊緣銹蝕、 氧化皮、 水分等雜質(zhì)必須全部清除干凈， 坡口邊緣至少25 mm 范圍內(nèi)需打磨露出金屬光澤， 打磨后坡口還需進(jìn)行磁粉檢查， 確保坡口無(wú)表面裂紋。

3.2 焊接材料

選用與母材強(qiáng)度相匹配的焊接材料， 針對(duì)12Cr2Mo1R 鋼的性能， 采用哈爾濱焊接研究所研制的H10Cr2MoG Φ4.0 mm 埋弧焊絲， 匹配SJ150燒結(jié)焊劑， 封底焊采用R407C Φ4.0 mm 焊條。

埋弧焊劑應(yīng)嚴(yán)格烘干， 烘干溫度取上限， 在350 ℃保溫箱內(nèi)保存， 隨用隨取， 使用過(guò)程中嚴(yán)格控制， 防止受潮。 封底焊焊條應(yīng)按照規(guī)范要求嚴(yán)格烘干， 在100～150 ℃保溫箱內(nèi)保存， 隨用隨取。 焊材應(yīng)單獨(dú)標(biāo)識(shí)清楚， 包裝完好。

4 焊接工藝研究

4.1 焊前預(yù)熱

12Cr2Mo1R 鋼在室溫下焊接具有較大的空淬傾向， 熱影響區(qū)硬度很高， 容易產(chǎn)生焊接裂紋， 因此該材料焊接前必須預(yù)熱。 預(yù)熱能減緩焊接接頭的冷卻速度， 以減少淬火組織的形成， 降低內(nèi)應(yīng)力，有利于氫的逸出， 從而避免焊接裂紋產(chǎn)生， 另外預(yù)熱還可以去除表面油、 水分等， 降低焊縫金屬含氫量。 根據(jù)規(guī)范， 最低預(yù)熱溫度≥150 ℃， 從而避免冷裂紋與再熱裂紋的出現(xiàn)。 考慮到鋼管全長(zhǎng)焊接散熱較快， 通過(guò)分析生產(chǎn)制造現(xiàn)場(chǎng)存在的很多對(duì)焊接不利的因素， 此次工藝評(píng)定確定焊前150～250 ℃預(yù)熱。 加熱方式采用電加熱或氧乙炔加熱，在距離坡口邊緣75 mm 位置處監(jiān)測(cè)預(yù)熱溫度。

4.2 焊接線(xiàn)能量的控制

焊接線(xiàn)能量不宜過(guò)大， 線(xiàn)能量過(guò)大， 焊縫金屬在高溫停留時(shí)間長(zhǎng)， 會(huì)引起熱影響區(qū)過(guò)熱， 致使晶粒粗大， 焊縫寬度過(guò)寬， 可能降低力學(xué)性能或產(chǎn)生高溫裂紋等焊接缺陷。 焊接根部焊道時(shí)，可采用稍低的焊接電流施焊。 實(shí)際焊接過(guò)程中若焊道寬度較窄， 可適當(dāng)增大電流來(lái)達(dá)到熔寬的目的。 多次施焊分析結(jié)果表明， 焊接線(xiàn)能量控制在2.5 kJ/mm 以下時(shí)， 焊縫缺陷率低， 焊接質(zhì)量好。

4.3 層間溫度控制

多層焊時(shí)， 后面焊層對(duì)前面焊層有消氫作用， 并能改善前層焊縫和熱影響區(qū)金相組織， 原則上， 層間溫度不能低于預(yù)熱溫度， 但也不可過(guò)高， 否則， 由于氫含量的逐層積累和焊接產(chǎn)生的熱變形而帶來(lái)根部應(yīng)力集中， 導(dǎo)致冷裂紋傾向增大。 綜合考慮， 焊接評(píng)定試驗(yàn)時(shí)嚴(yán)格控制層間溫度在120～250 ℃。

4.4 工藝控制

焊材選用哈爾濱焊接研究所研制的埋弧焊絲H10Cr2MoG Φ4.0 mm 和配套焊劑SJ150， 預(yù)焊時(shí)采用焊條R407C Φ4.0 mm 間斷點(diǎn)焊， 防止內(nèi)焊燒穿。 背面焊接前， 必須采用碳弧氣刨?gòu)氐浊宄A(yù)焊層， 并將坡口打磨干凈， 防止?jié)B碳產(chǎn)生，然后采用磁粉檢測(cè)方法檢查坡口表面， 確保無(wú)表面裂紋。

4.5 焊接過(guò)程及焊接設(shè)備

按照預(yù)焊接工藝規(guī)范 （PWPS） 進(jìn)行焊接，同時(shí)根據(jù)實(shí)際焊接情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。 具體焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。 埋弧焊采用美國(guó)林肯直流DC-1500 埋弧焊機(jī)， 焊接設(shè)備及內(nèi)外焊焊縫形貌如圖2 和圖3 所示。

表3 埋弧自動(dòng)焊工藝參數(shù)

圖2 焊接設(shè)備

圖3 內(nèi)、 外焊焊縫形貌

4.6 焊后熱處理

試板焊后進(jìn)行690 ℃×8 h 整體退火處理，入爐溫度小于300 ℃， 升溫速率75 ℃/h， 降溫速率35 ℃/h， 隨爐冷卻， 出爐溫度167 ℃。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)NB/T 47013.7 對(duì)試板焊縫進(jìn)行外觀檢查，焊縫表面成形美觀， 無(wú)表面氣孔、 裂紋、 夾渣及咬邊等外觀缺陷。 根據(jù)NB/T 47013.4 對(duì)試板進(jìn)行磁粉檢測(cè)， 近表面無(wú)缺陷， 探傷結(jié)果符合Level Ⅰ級(jí)要求。 根據(jù)NB/T 47013.3 對(duì)試板進(jìn)行超聲波檢測(cè)焊縫， 內(nèi)部質(zhì)量良好， 探傷結(jié)果符合Level Ⅱ級(jí)要求。 根據(jù)NB/T 47013.2 對(duì)試板進(jìn)行射線(xiàn)拍片檢測(cè)， 焊縫內(nèi)部無(wú)缺陷， 評(píng)片結(jié)果符合Level Ⅱ級(jí)要求。 外觀檢測(cè)和無(wú)損檢測(cè)合格后， 按照規(guī)范要求對(duì)焊接試板進(jìn)行機(jī)械切割取加工試樣， 分別進(jìn)行焊縫化學(xué)成分分析、 焊縫橫向拉伸試驗(yàn)、 導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)、 20 ℃沖擊試驗(yàn)、 宏觀和維氏硬度檢測(cè)。

5.1 焊縫化學(xué)成分分析

采用立式直讀光譜儀對(duì)焊縫進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)， 檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4， 焊縫元素含量與母材接近，說(shuō)明本次選用焊材與該材質(zhì)匹配， 適合使用。

表4 埋弧焊焊縫化學(xué)成分分析結(jié)果 %

5.2 拉伸試驗(yàn)

試驗(yàn)測(cè)得焊縫抗拉強(qiáng)度Rm為634 MPa 和642 MPa， 試驗(yàn)結(jié)果符合NB/T 47014 標(biāo)準(zhǔn)要求（≥520 MPa）。

5.3 導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)

按照NB/T 47014 標(biāo)準(zhǔn)的要求， 當(dāng)鋼板厚度≥10 mm 時(shí)， 可用4 個(gè)側(cè)彎試驗(yàn)代替面彎和背彎試驗(yàn)。 在埋弧焊試板上沿厚度方向截取4 個(gè)試樣， 進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)， 彎軸直徑38.1 mm， 彎曲角度180°， 試驗(yàn)結(jié)果顯示4 個(gè)側(cè)彎試樣全部合格。

5.4 沖擊試驗(yàn)

分別對(duì)焊縫中心、 熔合線(xiàn)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)， 采用V 形缺口試樣， 尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，試驗(yàn)溫度20 ℃。 12Cr2Mo1R 鋼焊接接頭的焊縫及熱影響區(qū)沖擊性能參照鋼板沖擊要求， 平均沖擊功≥47 J， 最小沖擊功≥36 J， 試驗(yàn)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求， 具體沖擊值見(jiàn)表5。

表5 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

5.5 宏觀及硬度試驗(yàn)

12Cr2Mo1R 鋼焊縫宏觀和微觀形貌如圖4所示， 觀察可見(jiàn)焊縫完全焊透， 焊偏量符合標(biāo)準(zhǔn)要求， 無(wú)裂紋、 夾渣等缺陷， 焊縫中心為貝氏體組織， 呈柱狀晶特征。 焊接接頭硬度測(cè)試點(diǎn)位置如圖5 所示， 檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。 硬度試驗(yàn)結(jié)果表明， 采用自動(dòng)埋弧焊工藝焊接的12Cr2Mo1R 鋼焊縫及熱影響區(qū)硬度值均低于標(biāo)準(zhǔn)要求的上限值（345HV10）， 符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 焊接接頭硬度測(cè)試點(diǎn)位置示意圖

表6 焊縫硬度檢測(cè)結(jié)果

6 焊接工藝分析

（1） 12Cr2Mo1R 鋼屬于Cr-Mo 合金鋼， 不同于普通的C-Mn 鋼， 在制定合金鋼焊接工藝時(shí)要綜合考慮材料的化學(xué)成分及性能要求， 匹配合適的焊接材料， 焊材選用哈爾濱焊接研究所研制的H10Cr2MoG Φ4.0 mm 埋弧焊絲和SJ150 焊劑， 預(yù)焊時(shí)采用R407C Φ4.0 mm 間斷點(diǎn)焊。 焊接時(shí)需特別注意， 當(dāng)中斷焊接時(shí)， 應(yīng)至少焊接兩層且不小于壁厚的1/3， 并且立即加熱到250～300 ℃， 保溫緩冷； 重新焊接前， 應(yīng)做滲透檢測(cè)， 確認(rèn)無(wú)裂紋后， 再按原先的焊接工藝要求進(jìn)行預(yù)熱焊接。

（2） 設(shè)計(jì)均衡應(yīng)力的不對(duì)稱(chēng)雙面埋弧焊焊接坡口， 應(yīng)注意材料有淬硬傾向， 坡口加工時(shí)需要進(jìn)行機(jī)械銑邊， 不能進(jìn)行火焰切割， 確保坡口復(fù)合要求。 點(diǎn)焊完成后的坡口需打磨去碳層， 施焊前的坡口面需進(jìn)行表面磁粉檢測(cè)， 確保無(wú)表面裂紋。

（3） 焊接工程中， 應(yīng)嚴(yán)格按照工藝要求控制焊前預(yù)熱溫度150～250 ℃、 層間溫度120～250 ℃和焊后熱處理690 ℃×8 h， 可以有效避免焊接熱裂紋和焊后再熱裂紋的產(chǎn)生。

（4） 焊接過(guò)程中需嚴(yán)格控制焊接電流、 電壓和焊接速度， 保證焊接熔池寬度， 適當(dāng)?shù)蜔彷斎耄?焊接線(xiàn)能量低于2.5 kJ/mm。

7 生產(chǎn)應(yīng)用

本研究通過(guò)焊接試驗(yàn)和焊接工藝分析， 確定了焊接工藝規(guī)范。 采用本研究的焊接工藝批量試制了Φ1 219 mm×30 mm 12Cr2Mo1R 鋼管， 經(jīng)過(guò)機(jī)械銑邊、 焊前預(yù)熱、 埋弧焊接、 層間溫度控制、 焊后熱處理等重點(diǎn)工序的控制， 完成了產(chǎn)品的試制。 成品管經(jīng)過(guò)無(wú)損檢測(cè)和理化性能試驗(yàn)，結(jié)果均符合TSG D7002—2006 《壓力管道元件型式試驗(yàn)規(guī)則》 的要求， 滿(mǎn)足批量生產(chǎn)的要求，Φ1 219 mm×30 mm 12Cr2Mo1R 鋼管批量試制流程如圖6 所示。

8 結(jié) 論

（1） 對(duì)采用12Cr2Mo1R 鋼自動(dòng)埋弧焊接工藝焊接的鋼板， 經(jīng)超聲波檢測(cè)、 磁粉檢測(cè)和X射線(xiàn)檢測(cè)結(jié)果均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求， 同時(shí)對(duì)焊縫進(jìn)行化學(xué)成分分析、 拉伸試驗(yàn)、 彎曲試驗(yàn)、 沖擊韌性試驗(yàn)和硬度性能檢測(cè)， 各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求， 得出了最佳12Cr2Mo1R 合金鋼的埋弧焊接工藝， 符合NB/T 47014 《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》 要求。

（2） 通過(guò)研究和分析， 得出了合理的焊接工藝， 獲得了優(yōu)良的焊縫組織和力學(xué)性能， 為12Cr2Mo1R 等Cr-Mo 合金鋼管的自動(dòng)埋弧焊流水線(xiàn)生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。

（3） 采用本研究的焊接工藝進(jìn)行鋼管批量試制， 鋼管型式試驗(yàn)合格， 可以批量用于生產(chǎn)。 雙面埋弧焊接工藝拓寬了合金鋼板焊接工藝， 提高了合金鋼生產(chǎn)效率， 實(shí)現(xiàn)了12Cr2Mo1R 耐熱鋼管批量穩(wěn)定化生產(chǎn)。