18MnMoNb钢厚板压力容器焊接工艺分析

摘要：18MnMoNb是锅炉和压力容器专用的低合金结构钢。本文主要讨论低合金结构钢18MnMoNb在刚厚板压力容器焊接采用不同方法时，分析了两种常用焊接方法的焊接工艺，为18MnMoNb钢压力容器焊接奠定良好的工艺基础。本文首先论述了18MnMoNb钢的化学成分，讨论了焊条电弧焊以及埋弧自动焊在焊接18MnMoNb钢时的焊接工艺，最后得到最优的工艺参数。

关键词：18MnMoNb钢；压力容器焊接；焊接工艺

18MnMoNb钢热加工性能和中温性能较好，生产工艺相对简单，焊接性能较好，耐热性较高。目前18MnMoNb耐热钢主要用于制造高压、中压锅炉汽包及大型高压化工容器；也用作水轮机和水轮发电机大主轴以及交直流电机轴等。

一、18MnMoNb钢化学成分分析

18MnMoNbR是制造压力容器的一种专用钢板。“18”是碳的含量，成分0.18%；“Mn”是成分含有一定的化学元素锰；“Mo”是成分含有一定的化学元素钼；“Nb”是成分含有一定化学元素铌。

18MnMoNb钢即通常所属的高强度钢，它包括的范围很广泛，凡是屈服点在295MPa以上，屈服强度在390MPa以上的钢均为高强度钢。高强度钢大量应用于常温条件下工作的一些受力结构，如压力容器、动力设备、工程机械、铁路运输、桥梁建筑等。18MnMoNb钢属于高强度钢中热轧及正火钢的范畴。

二、18MnMoNb钢的焊接性分析

18MnMoNb钢的焊接性主要取决于它自身的化学成分，其中对焊接性影响最大的是碳，18MnMoNb钢中碳及合金元素的含量都比较低，总体看来焊接性较好，但是若焊接材料选择不慎，将会使合金元素增加，导致材料强度迅速提高，焊接性变差。对于焊接性的分析，焊接的问题主要有以下两点：一是焊接裂纹；二是焊接热影响区性能下降。

首先，焊接裂纹主要包括四种类型。第一，焊缝中的结晶裂纹。18MnMoNb钢的含碳量较低，并含有一定的Mn元素，一般不会产生结晶裂纹。但是，若母材成分出现误差，比如碳与硫含量同时偏高或相差很大时，便会产生结晶裂纹，这边要求在焊接材料上选择低碳焊丝和含二氧化硅较低的焊剂。第二，由于18MnMoNb刚中加入了合金元素，淬硬倾向增大，在焊接过程中，若冷却速度加快，则容易发生马氏体转变，马氏体的形成则会产生冷裂纹。第三，消除应力裂纹。18MnMoNb钢对消除应力裂纹比较敏感，通过增加预热的温度，将预热温度由180℃增加到230℃，可以有效的防止消除应力裂纹。最后，层状撕裂。层状撕裂主要与钢的冶炼质量、板厚、接头形式和Z向应力有关，与钢材强度无直接关系，钢中的含硫量是衡量抗层状撕裂能力的主要依据。

热影响区的性能变化是与所焊接的钢材种类和合金系统有直接关系。18MnMoNb钢属于热轧和正火钢，热影响区的主要性能变化是过热的脆化问题和热应变脆化问题。对于过热区脆化，是由于过热区的温度很高，接近于熔点温度，属于熔融状态，这样难熔质点往往在冷却时来不及析出使得材料变脆，进而发生一系列组织转变。而18MnMoNb钢过热区脆化的程度与含碳量有关，过热区韧性随热输入的增大而下降，适当降低热输入有助于提高韧性。而热应变脆化是焊接过程中在热和应变共同作用下产生的一种应变时效，它是由固溶的氮引起的。因此，温度处于200℃-400℃的18MnMoNb钢要注意尽量防止与空气接触，禁止氮的渗入。

三、18MnMoNb钢的焊接工艺分析

（一）18MnMoNb钢焊条电弧焊的焊接工艺分析

1、焊接方法的选择

18MnMoNb钢属于热轧及正火钢，焊接方法的选择并不是一个关键的问题，它可以用各种方法来进行焊接，不同的焊接方法对于产品的质量没有显著的影响。本次试验采用焊条电弧焊来进行分析。

2、焊接材料的选择

在利用焊条电弧焊焊接的时候，选用的焊接材料为焊条。在选用焊条的过程中需要注意两个问题：一是保证焊缝无缺陷；二是要满足使用性能的要求。焊缝中的主要缺陷是焊接裂纹，而选择焊接材料还要依据保证焊缝的金属的强度、塑性和韧性等力学性能与母材相匹配。为此，需要选择相应强度级别的焊接材料。

因此，焊条电弧焊所选用的焊条型号为E7010焊条进行焊条电弧焊。

3、焊接参数的确定

（1）焊接热输入的确定

焊接热输入的确定主要取决于过热区的脆化和冷裂两个因素。对于含碳量很低的轧钢，热输入偏小一些会比较有利。对于含碳量偏高的轧钢来说，由于淬硬性增加，马氏体的含碳量提高，冷裂纹的倾向就会增加，所以这种情况下热输入偏大一些为好。对于18MnMoNb钢来说，随着热输入的减小，过热区韧性不是提高，而是降低，并容易产生延迟裂纹，因为焊接18MnMoNb钢时热输入偏大一些。、

（2）预热温度的确定

18MnMoNb钢采用焊条电弧焊，预热主要是为了防止裂纹的产生。当板厚大于10mm时，18MnMoNb钢选用的焊前预热温度为150℃-200℃。

（3）焊后热处理

对于要求抗应力腐蚀的焊接结构、低温下使用的焊接结构或者厚壁高压容器需要进行消除应力的高温退火。焊后进行退火处理，退火温度600℃-650℃。

（4）采用V形坡口，焊条烘干350℃-400℃，保温2h。使用直径为4mm的焊条时，底层焊道焊接电流为140A，电压选择24V；填充焊道焊接电流为170A，电弧电压为24V。

（二）18MnMoNb钢埋弧焊的焊接工艺分析

1、焊接方法的选择

18MnMoNb钢可以用各种方法来进行焊接，本次试验采用埋弧焊来进行分析。

2、焊接材料的选择

在利用埋弧焊焊接的时候，选用的焊接材料为焊丝和焊剂。在选择焊接材料的同时必须同时考虑熔合比和冷却速度的影响。焊缝化学成分不仅取决于焊接材料，而且与母材的熔入量即熔合比有很大的关系，而焊缝组织的过饱和度则与冷却速度有很大关系。除此之外，还必须考虑到热处理对焊缝力学性能的影响。本次试验采用焊丝为H08Mn2MoA，所配合的焊剂为HJ350。

3、焊接参数的确定

（1）焊接热输入的确定

对于18MnMoNb钢来说，随着热输入的减小，过热区韧性不是提高，而是降低，并容易产生延迟裂纹，所以焊接18MnMoNb钢时热输入要偏大一些。、

（2）采用V形坡口，采用焊丝为H08Mn2MoA，所配合的焊剂为HJ350，焊前焊剂烘干350℃-400℃，保温2h。使用直径为4mm的焊丝时，焊接电流I为600-650A、焊接电压V为36-38V、焊接速度为25-30m/h。

四、结论

1、焊条电弧焊焊接18MnMoNb钢时，采用V形坡口，焊条烘干350℃-400℃，保温2h。使用直径为4mm的焊条时，底层焊道焊接电流为140A，电压选择24V；填充焊道焊接电流为170A，电弧电压为24V。

2、埋弧自动焊焊接18MnMoNb钢时，采用V形坡口，采用焊丝为H08Mn2MoA，所配合的焊剂为HJ350，焊前焊剂烘干350℃-400℃，保温2h。使用直径为4mm的焊丝时，焊接电流I为600-650A、焊接电压V为36-38V、焊接速度为25-30m/h。

3、当板厚大于10mm时，焊前预热150℃-200℃，并保持层间温度不低于150℃。焊后最佳消除应力热处理温度为600℃-620℃。

4、采用上述焊条电弧焊以及埋弧焊焊接工艺焊接18MnMoNb钢，大大提高了焊缝的质量，保证焊缝的硬度与强度，同时又具有一定的塑性和韧性，满足压力容器生产的使用要求。

参考文献：

【1】张连生.金属焊接材料【M】.机械工业出版社.2013.

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