15mnnbvr钢的焊接工艺研究

15mnnbvr钢的焊接工艺研究

蒸汽蓄热器是中、压锅炉的必要设备。某厂制作的蒸汽蓄热器，其直径为2560mm,长度10863mm，工作介质为水蒸汽，设计温度250℃，设计压力2.7MPa；其主体材料为低合金高强钢15MnVR，厚度为34mm。为提高劳动生产率，降低劳动强度和生产成本,选用埋弧自动焊焊接方法进行焊接。其纵、环焊缝要求进行100%射线探伤．符合JB4730-94，Ⅱ级合格。115mnr钢焊接分析1.11焊接预热温度(1）冷裂纹敏感性根据IIW推荐的碳当量Ceq计算公式和日本的化学成分冷裂纹敏感指数Pcm、焊接冷裂纹敏感指数Pc和焊前预热温度T0计算公式计算出15MnNbVR钢的焊接冷裂纹敏感指数及预热温度，结果如表1所示。可见，15MnVR钢焊接性较好，该钢淬硬倾向不大。根据15MnVR钢板斜Y坡口对接裂纹试验，采用低氢型焊条，24mm厚度钢板不裂的预热温度约为100℃，48mm厚度钢板不裂的预热温度约为150℃。综上所述，中等厚度15MnNbVR钢板焊接预热温度100～150℃即可有效地防止焊接冷裂纹的产生。(2）再热裂纹敏感性15MnVR钢中C、S、P含量较低，塑性、韧性较高，因此，对再热裂纹不敏感。再热裂纹主要表现是层状撕裂。产生层状撕裂不受钢材种类和强度级别限制，主要与板厚有关。采取焊前预热，可有效防止层状撕裂。(3）热裂纹敏感性15MnVR钢含碳量较低，含Mn量较高，Mn/S比能达到要求，具有较好的抗热裂性能，正常情况下焊缝中不会出现热裂纹。但当材料成分不合格，或因严重偏析使局部C、S含量偏高时，容易出现热裂纹。采用含Mn较高的焊丝、含SiO2较低的焊剂，可降低焊缝中的含碳量和提高焊缝中的含锰量，解决热裂纹问题。1.2试验加热前后焊缝冲击性能随着焊接预热温度、层间温度和焊接热输入的增加，当热影响区被加热到1100℃以上时，其粗晶区的晶粒将迅速长大或出现魏氏组织而使韧性下降，出现脆化段，导致焊缝冲击性能下降。因此，焊接过程中保持低的焊接线能量是保证焊缝冲击吸收功的关键。2焊接方法及焊接条件为了确保产品焊接质量，在拟定其焊接工艺时，应以防止接头各区马氏体组织和冷裂形成为基本出发点，采取控制线能量、采用低氢的焊接材料、焊前预热、保持层间温度、进行后热或焊后作消氢处理等工艺措施。(1）坡口型式采用“UV”型坡口，坡口型式及尺寸见图1。组对前，清除坡口面及坡口每侧50mm范围内的毛刺、铁锈、氧化皮、渣等，直至露出金属光泽。(2）焊接方法筒体纵、环缝的内部焊道、接管及内件焊接采用ZX7-500S型焊机进行焊条电弧焊；外部焊道清根后采用MZ1-1000型焊机进行埋弧自动焊。(3）焊接材料根据等强度原则，焊条电弧焊选用HE5015焊条，埋弧焊焊丝选用H10MnSi，焊剂选用HJ431。(4）焊前预热和层间温度15MnVR钢的Ceq=0.47%，对厚度小于32mm的钢板，焊接前不需要预热；当管壁厚度大于等于32mm时，焊前预热可以降低焊后冷却速度，减小淬硬倾向及焊接残余应力，防止冷裂纹的产生。焊前预热温度为100～150℃，预热时间0.5h，预热范围为母材坡口两侧各150～200mm。由于采用多层多道焊，前道焊缝对后道焊缝的热作用会使晶粒细化，从而提高了焊缝的冲击韧度。焊接时控制层间温度不小于焊前预热温度，为150～200℃。(5）焊接工艺参数焊接线能量控制在15～55kJ/cm之间，焊接工艺参数见表2。3试验结果及材料性能根据国标《钢制压力容器焊接工艺评定》的要求，选用板厚34mm的15MnVR钢按规定位置焊接试件进行焊接工艺评定试验，接头形式见图l，焊接工艺参数见表2，环境温度22℃，焊前100～150℃条件下预热0.5h，焊接层间温度150～200℃。焊接接头经外观和金相检查未发现气孔、裂纹、夹渣等缺陷，100%X射线探伤+100%超声探伤，评定结果为I级。焊接接头力学性能试验分别按GB228《金属拉力试验法》、GB323《金属弯曲试验法》和GB2106《金属夏比（V型）冲击试验法》的规定进行，结果如下：σb=549～680MPa；接头侧弯试样尺寸260mm×20mm×10mm，弯轴直径30mm，弯曲角度180°；冲击韧度的平均值为120J/cm2、离熔合线1mm处热影响区的冲击韧度平均值为122J/cm2；硬度平均值为l96HV、热影响区硬度平均值为l90HV、母材平均硬度为l80HV。各项性能指标均合格。4工程焊接技术要求4.1检测坡口切割面(1）下料和坡口加工15MnVR钢下料划线时要避免使用样冲，不可留下有害痕迹。岔管下料用样冲时，使用尖部较钝的，并打在管壁内侧。由于所用钢板为双定尺钢板，所以下料时就一起将坡口用半自动切割机制备，以保证切割面质量。(2）组装和定位施焊前，应检查坡口组对质量。如发现尺寸超差或坡口及其附近有缺陷，应处理后方可施焊。定位焊一般焊在后焊侧坡口内，定位焊缝长为80mm，间距350mm，后焊坡口侧焊前必须清除定位焊道。(3）对焊接材料的要求焊条和焊剂使用前要按使用说明书的规定进行烘干。烘干后的焊条放在保温筒内，随用随取；烘干后的焊条在保温筒内超过4h后应重新烘干，烘干次数不宜超过两次。焊剂烘干后应放在密封的容器中；烘干后的焊剂在空气中4h以上应重新烘干，烘干次数不超过3次。4.2碳弧气重焊的施工(1）严禁在非焊接部位的母材上引弧，埋弧焊及手工焊焊缝两端均应安装100mm×100mm的引弧板和引出板，材质及板厚与简体相同。(2）双面焊焊缝，应注意清根。内口一侧焊接完后，外口一侧可用碳弧气刨清根。清根时埋弧焊必须清到第一道缝完全露出，手工焊第一道缝必须完全清除。碳弧气刨清根使用的压缩空气必须限制水分和油分含量。(3）外口采用埋弧焊进行焊接，焊接时注意焊丝应对准坡口的中心，焊第1层时电流应小些，为500～600A。其余层的焊接工艺参数见表2。(4）多层多道焊时，须将每道的溶渣、飞溅仔细清理，自检合格后，方可进行下一道焊接。焊缝的表面尽可能平滑，咬边、焊瘤、焊趾过度角过大的部位要用细纱轮仔细打磨，使表面光滑平整。(5）每条焊缝均应编号，并记下施焊焊工姓名或代号存档，焊缝及母材上禁止打焊工钢号。工卡具的去除严禁用锤击法，应用碳弧气刨或气割在离管壁3mm以上外切除，然后用砂轮打磨平整，并进行渗漏探伤和磁粉探伤，严禁损伤母材。由于特殊原因中途停焊时，应立即进行后热保温，再次焊接时应全部进行预热后方可按原焊缝要求进行焊接。4.3残余应力处理15MnVR钢蒸汽蓄热器壁厚较大，焊接残余应力较大，焊后应进行消除焊接残余应力处理。但由于该钢为晶粒细化和沉淀强化钢，为防止焊后热处理温度过高使晶粒粗大，降低冲击韧度，焊后热处理温度应控制在550～650℃，不得高于650℃，保温1.2～1.8h，分阶段降温。5范参数记录(1）焊接检查员在施焊过程中必须严格监测和控制预热温度、道间温度及焊接线能量，并对每条焊缝进行实际施焊规范参数记录。(2）按技术要求对所有的焊缝进行外观检验，检验合格后进行100%内部质量检查，无损探伤按GB3323-1987《钢熔化焊接对接接头射线照相和质量分级》、GB11345-1989《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》、JB3965-1985《钢制压力容器磁粉探伤》等规范要求在焊缝焊完48h后进行。6焊接工艺参数的确定(1)15MnVR钢焊接性较好，主要问题是冷裂纹敏感性较强和冲击韧性下降。(2）采用焊条电弧焊与埋弧焊