20MnMoD调质钢的焊接研究与应用

前言

高压氮气储罐为某石化公司氮气储罐项目的主体设备，为锻焊容器，运行在高压、低温环境中。设备的主体材料为20MnMoDⅣ锻件，其材料即属于低合金高强钢，又属于低温钢。本文主要论述通过对母材焊接性分析，制定出相应的工艺措施、选择匹配的焊接材料与合理的工艺参数、加之适宜的热处理工艺，进行焊接工艺评定，以满足图纸及技术条件对焊接接头强度、低温韧性等性能的要求。同时针对本设备的结构特点，设计出适合的坡口型式，编制出合理的焊接工艺与热处理工艺，并在产品制造过程中得以实施。经力能性能检验及无损检测，其各项指标均达到图纸及技术条件的要求，高质量地完成了设备制造。

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20MnMoD锻件焊接性分析

20MnMoD用钢采用电炉或氧气转炉冶炼并经炉外精炼和真空处理的镇静钢，供货状态为淬火加回火（Q T），其化学成分见表1，力学性能见表2。与16MnD相比，增加了一定量的Cr、Ni、Mo等化学元素，Cr、Mo为金属强化元素，有利于提高金属的强度；Ni元素有利于降低金属的低温脆性转变温度，提高钢材的低温冲击韧性。

1.2.1 焊接接头的冷裂纹倾向

根据国际通用Ceq（碳当量）计算公式可计算出20MnMoD的碳当量指数：Ceq=C Si/24 Mn/6 Cr/5 Mo/4 Ni/40=0.49%＞0.45%；说明20MnMoD具有较大的冷裂倾向。锻件中含有的C、Mn、Cr、Mo等强化元素提高了钢材的强度，同时在焊接过程中也易形成淬硬组织，在刚性较大或拘束应力高的情况下，若焊接工艺不当，很容易产生冷裂纹，而且这类裂纹具有一定的延迟性，危害极大。

1.2.2焊接接头的再热裂纹倾向

20MnMoD钢中含有Cr、Mo等元素，由于焊接高温使热影响区附近的这些元素的碳化物固溶于奥氏体中，焊后冷却时来不及析出，而在消除应力热处理过程中弥散析出，从而晶内强化，使应力松弛所产生的蠕变变形集中于晶界，当晶界的塑性不足时，就会产生再热裂纹（亦称消除应力热处理裂纹）。

1.2.3 焊接接头的脆化倾向

焊接过程本身是不均匀加热和冷却的过程，从而形成不均匀组织。低合金高强钢焊缝与热影响区的脆性转变温度比母材高，是焊接接头中的薄弱环节。因此焊接热输入对低合金高强钢的焊缝与热影响区性能有重要影响。热输入过小，焊接接头热影响区会出现马氏体引起裂纹；热输入过大，焊缝与热影响的晶粒粗大，不但造成焊接接头脆化，同时严重降低其低温冲击性能。

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焊接材料

焊缝金属的力学性能应高于或等于母材的限值。为提高焊缝金属的抗裂性能，应控制焊接材料中C、S、P的含量；为保证焊缝金属具有较高的低温冲击韧性，应适当提高焊接材料中Ni含量；同时为防止冷裂纹及再热裂纹的产生应选用低氢型焊材，控制熔敷金属中扩散氢的含量，已达到产品所要求的综合性能。

设备制造完成后，需进行焊后整体消除应力热处理，结合本公司的焊接技术特点，选用了进口焊材：氩弧焊丝ER80S-Ni，规格φ2.5mm，焊条E8018-C3，规格φ4mm；埋弧焊丝EH12K，规格φ4mm；焊剂F7P4-EH12K，规格10-60目。

03

工艺措施及检测要求

1）严格控制扩散氢的来源，焊条、焊剂按标准要求烘干，焊条使用时，焊条筒要通电保温，坡口表面及两侧20mm范围内清理干净。

2）焊前需预热，焊后需立即后热处理，焊接过程中需严格控制层间温度。但预热温度不宜过高，过高的预热温度会使热影响区的冷却速度过慢，从而在热影响区产生粗大的上贝氏体组织，严重降低焊接接头的强度及低温冲击韧性。

3） 焊接应采用小的线能量的输入，但不 可以提高焊接速度来获得较低的线能量输入，一旦焊道形成窄而深的截面形状，就会在焊缝中心产生裂纹。焊条电弧焊时，尽量不摆动，焊接宜采用多层多道焊，起到自回火的作用，细化晶粒，提高焊接接头的强度及低温冲击韧性。

4）焊接应注意避免弧坑、未熔合及咬边等缺陷，焊后应去除余高，焊缝表面修磨与母材齐平，不但可以大大降低再热裂纹的敏感性，也可避免在低温条件及应力作用下引起脆性破坏。

5）焊接接头应在焊接完成24h后进行无损检测，并且在热处理后再进行一次无损检测，以确定焊接接头的质量。

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焊接工艺评定

依据20MnMoD焊接性分析，并结合高压氮气储罐的结构特点，按照NB/T47014-2011及相关技术条件，制定焊接工艺评定方案，分别进行了氩弧焊、焊条电弧焊、埋弧焊对接焊缝的焊接工艺评定。焊接材料及焊接工艺规范参数见表3。

按NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》 标准的要求，避开缺陷部位制备试样，并进行力学性能试验，并进行硬度检测及金相组织检测。力学性能试验结果见表4，硬度检测及金相组织结果见表5。

焊接工艺评定结论：通过严格按照工艺参数和工艺措施进行焊接与控制的试验结果表明，焊接接头力学性能、硬度值、金相组织均满足图纸与技术条件的要求。

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高压氮气储罐的制造

设备结构简图见图一，该设备由筒体、左右平盖、法兰盖部件等组焊而成，结构较为简单。主体材料为20MnMoDⅣ锻件，厚度70mm。该设备设计压力35Mpa，已达到GB150≤压力容器≥适用的最高设计压力；设计温度-40℃，已是该类材料设计温度的下限。

高压氮气储罐内径较小，内侧不易施焊，而筒体壁厚又较厚，焊接量很大，因此设计坡口为单U型变角度坡口，即满足单面焊接又能最大程度减小焊接量，坡口型式见图二。筒体与平盖间环向B类焊接接头的坡口采用立式车床车出。坡口表面及两侧20mm范围内砂轮修磨，去除油污、铁锈等杂物。

焊前坡口表面进行100%MT检测，按NB/T47013.4-2015，I级合格；坡口及其两侧各不小于150mm范围内均匀预热到100～150℃之间。

设备主体B类接头采用氩弧焊打底，单面焊双面成型，手工电弧焊、埋弧焊填充、盖面。焊接按焊接工艺规范要求采用多层多道焊，层间严格清渣，控制层间温度在100-250℃之间。焊条保温筒通电保温，焊剂焊前烘干，随用随取，防止吸收空气中水分，控制扩散氢进入焊缝中。焊接接头焊后立即进行消氢处理，200℃～250℃保温3小时，覆盖保温棉缓冷。焊后去除焊缝余高，修磨与母材圆滑过渡，不允许有任何尺寸的咬边。

焊接接头经外观检查合格，焊接完成24小时后对焊接接头进行100％射线探伤检查（检测技术等级AB级），按NB/T47013.2-2015不低于II级合格；并进行100％超声波（检测技术等级B级）检测和100％磁粉检测，按NB/T47013-2015，均不低于I级合格。经以上无损检测均未发现缺陷。

设备进行炉内整体消除应力热处理。热处理580-600℃，保温2.5小时，升降温速度55℃～75℃/h。设备热处理后对焊接接头进行超声波和磁粉检测，均未发现缺陷。

产品焊接试板（鉴证环）由施焊设备的焊工，采用与施焊设备相同的条件、过程与焊接工艺施焊，并随设备同炉热处理后按NB/T47016-2011的要求，进行了各项力学性能检验，其试验结果均不低于母材的相应指标。

总 结 语

通过对20MnMoD的焊接性分析和焊接工艺评定试验，制订了合理的、符合生产实际的焊接工艺规程及热处理工艺规程，成功完成了该设备的制造任务。为今后同类产品焊接生产奠定了基础，具有推广应用价值，同时也提高了本公司的生产制造能力，为公司今后在同类材料的制造方面积累了实践经验。

END

文字 | 郭 龙 王春宇

参考文献：

[1] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册.第2卷. 北京：机械

工业出版社，2003

[2] 张文钺.焊接冶金学（基本原理）. 机械工业出版社，2009

[3] 陈裕川.钢制压力容器焊接工艺. 北京：机械工业出版社，

2007

[4] 特种设备焊接技术.北京：机械工业出版社，2011