林桂賢，李義民，朵元才，張 偉

(1.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，蘭州 730314；2.甘肅省壓力容器特種材料焊接重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，蘭州 730314)

0 引言

在加氫反應(yīng)器等設(shè)備的制造中，殼體材料一般選擇12Cr2Mo1R，裙座則采用Q345R。對(duì)于主殼體與裙座材質(zhì)不同的設(shè)備，通常的情況是在主殼體焊接完成之后,在下封頭部位熱箱段焊接一段裙座或者堆焊一層與裙座材質(zhì)相同的材料、與主殼體一同進(jìn)行最終熱處理；裙座單獨(dú)進(jìn)行熱處理；最后組裝裙座與主殼體熱箱段再進(jìn)行熱處理，總共進(jìn)行3次熱處理，這對(duì)于縮短產(chǎn)品的制造周期及減少成本非常不利。本文的主要目的是通過(guò)對(duì)Q345R及12Cr2Mo1R異種鋼焊接及熱處理試驗(yàn)，驗(yàn)證異種鋼接頭的各種性能，使加氫反應(yīng)器等產(chǎn)品裙座與主殼體可以整體進(jìn)行最終熱處理。

1 焊接及熱處理試驗(yàn)

GB/T 150.4—2011《壓力容器 第4部分：制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收》中第8.2.2.1中規(guī)定Q345R焊接接頭厚度≥32 mm需要進(jìn)行焊后熱處理，而12Cr2Mo1R任意厚度都需要進(jìn)行焊后熱處理。焊后熱處理可以有效地降低由于焊接熱循環(huán)導(dǎo)致的溫度差引起的焊接應(yīng)力、改善熱影響區(qū)及焊縫的力學(xué)性能[1-2]；另外GB/T 150.4—2011中第8.2.3條規(guī)定對(duì)于異種鋼之間的焊接接頭，需要熱處理時(shí)按照熱處理要求高的材質(zhì)進(jìn)行確定[3]。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，將Q345R+12Cr2Mo1R異種鋼焊接試驗(yàn)的保溫溫度定為690 ℃。

根據(jù)GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》中的規(guī)定，厚度36～100 mm需要進(jìn)行焊后熱處理的Q345R鋼板的Rm為490～620 MPa，12Cr2Mo1R鋼板的Rm為520～680 MPa[4-5]，兩者在室溫下的抗拉強(qiáng)度相差不大。在選擇焊接材料時(shí)，既要考慮兩者的強(qiáng)度差，也要考慮到合金元素的區(qū)別，合金元素主要為Cr,Mo。參照NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規(guī)程》，在本試驗(yàn)中經(jīng)過(guò)對(duì)比，最終選定某公司生產(chǎn)的H09MnSHG+SJ204SHG焊材，該焊絲中含有一定量的Mo，Ni元素，可以保證在690 ℃熱處理后焊縫強(qiáng)度符合要求，也降低了12Cr2Mo1R側(cè)母材中的合金元素稀釋率。

試驗(yàn)用焊接試板12Cr2Mo1R為正火+回火供貨態(tài)，Q345R為正火供貨態(tài)，試板尺寸800 mm×120 mm×40 mm，焊接方法采用埋弧焊，焊接坡口如圖1所示。

圖1 焊接坡口示意

焊接前對(duì)焊劑進(jìn)行嚴(yán)格烘干，防止焊接時(shí)產(chǎn)生氣孔等缺陷；12Cr2Mo1R側(cè)母材預(yù)熱溫度≥150 ℃，焊接時(shí)層溫嚴(yán)格控制在150～250 ℃范圍內(nèi)。焊接時(shí)先焊接正面，背面碳弧氣刨清根并進(jìn)行打磨之后再進(jìn)行焊接，焊接完成后進(jìn)行消氫處理(250～300) ℃×2 h，焊接參數(shù)如表1所示，熱處理工藝參數(shù)如表2所示。

表1 焊接參數(shù)

表2 熱處理工藝參數(shù)

熱處理完成后，根據(jù)NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》對(duì)焊縫進(jìn)行100%UT檢測(cè)，合格。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 熔敷金屬化學(xué)成分

Q345R與12Cr2Mo1R都是低合金鋼，但母材化學(xué)成分相差較大，在焊接試驗(yàn)前，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用H09MnSHG+SJ204SHG焊絲焊劑組合。表3列出了焊接后的熔敷金屬化學(xué)成分，可以看出，其化學(xué)成分符合NB/T 47018—2017《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件》的規(guī)定。

表3 熔敷金屬化學(xué)成分 %

對(duì)于母材與選用的焊縫金屬合金元素相差較大的情況，在焊接過(guò)程中會(huì)不可避免地出現(xiàn)合金元素相互擴(kuò)散的過(guò)程[6-8]。根據(jù)表3可以看出Ni,Mo元素被稀釋擴(kuò)散到Q345R側(cè)，這種擴(kuò)散是否有益需要根據(jù)其他性能的驗(yàn)證。

2.2 焊接接頭抗拉強(qiáng)度

Q345R+12Cr2Mo1R試板經(jīng)690 ℃×8 h熱處理后，根據(jù)GB/T 228—2019《金屬材料 拉伸試驗(yàn)》進(jìn)行焊接接頭的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，取樣2件，室溫抗拉強(qiáng)度分別為：511,521 MPa，斷裂位置為Q345R側(cè)母材，這個(gè)數(shù)值與王志剛等[9]研究的Q345R板材在690 ℃×8 h熱處理后的強(qiáng)度值相當(dāng)，該強(qiáng)度值符合GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》。

2.3 焊接接頭沖擊性能

一般來(lái)說(shuō)，母材、熱影響區(qū)、焊縫區(qū)域的沖擊性能是驗(yàn)證焊材選用、熱處理工藝是否合適的重要指標(biāo)之一。根據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》對(duì)焊接接頭母材、熱影響區(qū)、焊縫進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度-20 ℃，V形缺口取樣位置分別為T(mén)/4，T/2，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。具體測(cè)試數(shù)值如表4所示。

表4 焊接接頭沖擊性能

從表4可以看出，焊接接頭各個(gè)區(qū)域沖擊值均符合一般產(chǎn)品技術(shù)條件的要求，沖擊值具有較大的富裕量，12Cr2Mo1R側(cè)熱影響區(qū)沖擊值與其他試驗(yàn)時(shí)的數(shù)值相當(dāng)；熱影響區(qū)沖擊值相比于母材有一定程度降低，主要原因是熱影響區(qū)經(jīng)過(guò)多次熱循環(huán)后，某些性能相對(duì)于母材有所降低。

2.4 焊接接頭金相組織

Q345R+12Cr2Mo1R試板焊接接頭經(jīng)690 ℃×8 h熱處理后的金相組織如圖2～5所示。

圖2 12Cr2Mo1R母材金相組織

圖3 12Cr2Mo1R側(cè)熱影響區(qū)+焊縫金相組織

圖4 Q345R母材金相組織

圖5 Q345R側(cè)熱影響區(qū)+焊縫金相組織

12Cr2Mo1R母材及熱影響區(qū)為貝氏體回火組織，焊縫區(qū)為珠光體+鐵素體+少量粒狀貝氏體。Q345R母材及熱影響區(qū)在690 ℃×8 h熱處理后為鐵素體+珠光體組織，經(jīng)690 ℃熱處理后金相組織未發(fā)生變化，但隨著退火溫度的升高，Q345R珠光體中的滲碳體將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙畹内厔?shì)越來(lái)越強(qiáng)[10-11]，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度降低，這是Q345R+12Cr2Mo1R試板焊接最需要注意的問(wèn)題。

為了更好地了解690 ℃熱處理溫度對(duì)于焊接接頭組織的影響，對(duì)其硬度進(jìn)行了測(cè)試，12Cr2Mo1R側(cè)母材HV10為183、熱影響區(qū)為185；Q345R側(cè)母材HV10為139、熱影響區(qū)為166；焊縫區(qū)HV10為187?？梢钥闯鯭345R側(cè)母材及熱影響區(qū)硬度相較于610～620 ℃去應(yīng)力退火時(shí)明顯降低，其主要原因是珠光體中滲碳體的轉(zhuǎn)化及組織的均勻化所致。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)在選擇適當(dāng)?shù)暮覆?、?yán)格執(zhí)行焊接工藝的情況下，Q345R+12Cr2Mo1R異種鋼焊接接頭在690 ℃熱處理后，各項(xiàng)力學(xué)性能符合要求，且沖擊值具有較大的富裕量。對(duì)于12Cr2Mo1R殼體、Q345R裙座的產(chǎn)品，可以整體進(jìn)行最終熱處理，縮短工期。

(2)對(duì)異種鋼焊接接頭在較高的溫度下進(jìn)行熱處理時(shí)，應(yīng)該對(duì)于低等級(jí)鋼材母材及熱影響區(qū)金相組織多加關(guān)注，重視較高的退火溫度對(duì)其性能、尤其是抗拉強(qiáng)度的不利影響。