Q420R压力容器用钢板焊接工艺评定研究

文章编号：1002－025X(2019)08-0035-03

Aug.2019·工艺与新技术·35

Q420R压力容器用钢板焊接工艺评定研究

姚小静1，韩

伟1，杜洪阳2

（1．山东省特种设备检验研究院有限公司，山东济南250101；2.鲁西新能源装备集团有限公司，山东聊城252000）

摘要：随着移动式压力容器轻型化需求的不断增长，Q420R低合金高强钢已应用于裸式移动式压力容器制造，由于目前焊接标准未给出相应的焊接工艺，文中结合已有的标准及相关参考资料，对其焊接工艺进行了研究分析及工艺验证试验，给出了SMAW，SMAW＋

SAW，GTAW＋SMAW，FCAW焊接工艺。关键词：Q420R；焊接工艺；焊接工艺评定中图分类号：TG457.5

文献标志码：B

DOI:10.13846/j.cnki.cn12-1070/tg.2019.08.010

2015年Q420R钢作为承压设备用钢板正式纳入GB713—2014《锅炉和压力容器用钢板》标准，因

其具有高强度、高韧性、低脆性转变温度和优异的焊接性，应用于移动式压力容器的制造，如汽车罐车和铁路罐车，但NB/T47014—2011《承压设备焊接工艺评定》［1］及NB/T47015—2011《压力容器焊接规程》［2］中并未有该材料的类别及推荐的焊接材料，因此急需对Q420R钢的焊接工艺进行研究分析。

MoNbR钢的，但考虑焊接时热裂纹和冷裂纹均有可

能产生，因此在选焊材时，尽量采用Mn含量较高的焊材和焊剂，降低焊缝中的C含量和提高焊缝中Mn含量以降低热裂纹的敏感性；通过采用低氢型焊条、焊前预热、焊后缓冷和恰当的焊后消应力热处理，降低冷裂纹的敏感性。按等强匹配的原则，在NB/T

47015—2011推荐的基础上，查阅大西洋公司焊材

样本手册［3］，ASME《锅炉及压力容器规范第Ⅱ卷

C篇》

11．1

焊接材料及焊接工艺分析焊接材料的选用分析

目前尚无Q420R材质所需焊材，但将Q420R与类似GB/T713—2014中有关材质的化学成分及力学性能进行比较，发现Q420R与18MnMoNbR二者较接近，虽然18MnMoNbR中的Mo含量比Q420R的高出了7~8倍，其他元素的化学成分和力学性能皆近似，但Mo元素主要是使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力，而移动式压力容器的设计温度大多约为60℃，因此其焊材的选择无需考虑高温对其焊缝的影响，同时结合NB/T47014—2011及NB/T47015—2011的规定，压力容器低合金高强度钢采用等强匹配的选择，认为Q420R钢焊材的选用，可参考18Mn-收稿日期：2019-02-02

基金项目：“公共安全风险防控与应急技术装备”重点专项

牌号焊条

［4］

，结合哈尔滨威尔焊接材料有限公司［5］推荐

的高强钢焊材，Q420R的焊材选用见表1，其主要化学成分及力学性能见表2，表3。

表1

Q420R钢焊接材料选用

焊丝

焊丝+焊剂

J607RHER55S－D2（HS09MnNiMoG）

表2

化学成分（质量分数）

SJ101＋H08Mn2MoA

（%）

CSiMnCuNiCrMoNbVTiPS

Q420RJ607RH

0．170．321．560．020．260．040．010．360．640．180．150．160．080．241．340．011．09—0．42—

——

—0．0110．05—0．0140．003

H08Mn2MoA＋

0．0650．311．430．060．010．020．53—SJ101

（熔敷金属）

HS09MnNiMoG（熔敷金属）

0．120．151．930．091．00—0．63—

表3

屈服强度

焊材力学性能

——0．0060．002

牌号

抗拉强度

/MPa459560558585

/MPa611655634660

冲击吸收功AKV2/J

伸长率

冲击温（％）123平均值度/℃

Q420RJ607RHH08Mn2MoA＋SJ101（熔敷金属）HS09MnNiMoG

30232523．5

－20－50－30－20

19316616117011612111111698106110105170153132151

）（2016YFC0802303

36·工艺与新技术·焊接技术第48卷第8期2019年8月

1．2Q420R钢焊接工艺

在确定了焊接材料后，针对Q420R钢容易出现热裂纹和焊后冷裂纹的特点，且低合金钢制移动式压力容器均应进行整体消应力热处理，在制订焊接工艺时，应做如下考虑：

（1）预热温度与道间温度焊接过程中，既要防止淬硬，又要防止过热，同时又不能有过大的热输入，预热和道间温度起着至关重要的作用。按照《焊接工艺评定手册》［6］推荐的预热温度计算方法，即由碳当量确定预热温度，即

定了热输入的大小。热输入决定了焊缝和热影响区的冷却速度，由此也决定了低合金钢焊接接头的淬硬程度、氢的扩散速度以及焊接残余应力水平，最终影响到接头的冷裂倾向。因此，在焊接低合金钢时一般采用大热输入的方法，但由于Q420R为低合金高强钢，且使用的是Mn－Mo－V系焊接材料，因此过大的热输入可能会降低焊接接头的冲击韧性和强度，也可能会出现热裂纹。因此，应加大坡口角度，尽可能采用多层多道焊，使热输入偏大一些，但是不可过大，以减少过热引起的热裂纹。焊接时尽量采用快速多道焊，以便利用焊接顺序之间的热作用使其进行细化晶粒，同时应控制并尽可能避免连续施焊。

（3）热处理工艺按照NB/T47015—2011表5推荐的热处理规范为600℃保温1．61h，或者热处理保温温度降低30℃，但延长保温时间为2h，考虑到焊接材料均为Mn－Mo－V系焊接材料，因而不适当地消应力处理会产生相反的后果，并能导致焊缝金属和热影响区发生脆变和再热裂纹倾向，因此在进行工艺评定试验过程中，2种热处理工艺都进行了相应的试验，希望通过焊接工艺评定试验确定最佳的消除应力处理工艺参数。

Tp=210w（Ceq）-25，

w（Ceq）=w（C）+w（Mn）/6+w（Si）1/6+w（Cr）/5+

w（Mo）/5+w（V）/5+w（Ni）/15+w（Cu）/15，

则w（Ceq）为0．639%，预热温度为109．29℃，考虑到

Q420R钢的淬硬倾向，可适当提高预热温度，初步

设定预热温度为150℃；为了保证焊接过程中预热温度的有效性，应保证预热范围包括接头中心两侧各3倍板厚的宽度，且≥100mm，且温度测量点应在焊缝两侧各4倍母材厚度，且不超过50mm处。测温时应在加热面的背面测定温度，如受条件限制做不到时，则应移开加热源，待钢材厚度方向上温度均匀后测定温度（温度均匀化的时间按照每25

mm厚母材需2min计算）；结合大西洋公司焊接材

料样本手册中推荐的层间温度，即道间温度150℃；同时焊后立即进行1．5h×350℃消氢处理，以便有效防止、消除应力裂纹。

（2）热输入焊接电流、电弧电压、焊接速度决

22．1

焊接工艺评定试验分析焊接方法的选用

Q420R压力容器制造常用焊接方法为SMAW，SAW，GTAW，FCAW，具体焊接工艺评定参数见表4。

最大热输入

热处理工艺（℃×h）

表4焊接工艺评定参数

焊接方法焊材牌号

焊材直径/mm

焊接电流电弧电压焊接速度

/A80~120130~170130~170500~550160~180130~170200~300

/V20~2222~2522~2528~3212~1422~2522~30

··/（mmmin-1）/（kJmm－1）

备注

SMAWJ607RHJ607RH

H08Mn2MoA＋SJ101HS09MnNiMoG/

J607RHHS09MnNiMoG

准3．2准4．0

120120450~50080~150120300~500

13．221．2513．223．618．921．2518

580×2620×1580×2620×1580×2620×1580×2620×1

—

SMAW＋SAWGTAW＋SMAWFCAW

准4．0准4．0准2．5准4．0准2．5

焊缝厚度：SMAW，0~6cm；SAW，0~16mm气体流量Ar：（15~17）L/min

焊缝厚度SMAW：0~8cm；SAW：0~14cm

Ar，Ar＋CO2：16~22L/min

这4种常用焊接方法中，其中SAW为高热输入焊接法，因此若工艺稳定，可大大提高工作效率；

而SMAW，GTAW，FCAW为小热输入焊接法，虽然后者熔敷效率较低，但由于焊缝横截面大大减小，

WeldingTechnologyVol．48No．8Aug.2019可显著缩短焊接周期，节约大量的焊接材料。为了保证焊接质量和提高生产效率，移动式压力容器的筒体上A，B类焊缝多以SMAW和SAW焊接为主，而接管、法兰等B（DN＜250mm）C，D焊缝经常采用到SMAW和GTAW，受压元件与非受压元件之间的焊接采用FCAW，同时为了提高焊接工艺评定结果的利用率，即一份焊接工艺评定结果可以多项使用的前提下，在考虑焊接工艺评定项目时，以

SAW＋SMAW，SMAW＋GTAW的组合焊接工艺评定及SMAW，FCAW焊接工艺评定项目。其中焊条必须经400℃烘干1h，焊剂需经300~350℃烘焙2h，随

烘随用。

2．2

试验结果分析

按照NB/T47014—2011的检验要求，进行了外观检查、无损检测、力学性能试验和弯曲试验。

在检验过程中，外观检查和无损检测应不得有裂纹（本试样无损检测、射线检测底片评定为Ⅰ级），其中无损检测的主要目的是避开缺陷，合理选择部位制取试样，避免缺陷取在缺陷部位，影响检验结果的判定；在进行弯曲试验时，对于SMAW＋

SAW和GTAW＋SMAW的组合评定，应进行侧弯试

验，与面弯和背弯试验要求相同，弯曲后试样应检查拉伸面无裂纹，此外因为2种焊接方法的结合处相对薄弱，因此对于2种焊接方法的侧弯试样，还应多重点检查2种焊接方法的结合处。拉伸试验均在焊缝区韧性断裂，冲击试验温度均为-20℃，弯曲试验结果均无缺陷，焊接工艺评定试验结果见表5。

表5

焊接工艺评定试验结果

热处理冲击吸收功AKV2/J（-20℃）焊接方法

工艺抗拉强度

（℃×h）

/MPa焊缝区

热影响区

SMAW580×2640，610

66，46，62（62）148，130，143（143）

620×1645，635123，95，111（109）232，222，223（225）SMAW＋580×2605，595

38，36，30（35）

146，150，142（146）

SAW620×1640，625136，153，126（138）204，224，224（217）GTAW＋580×2625，61572，42，74（62）102，148，166（139）SMAW620×1645，63881，89，98（89．3）198，204，212（204）FCAW

580×2605，62046，32，50（42）158，140，146（148）620×1

620，628

58，69，54（60）

162，178，187（175）

由表5可知，4种焊接工艺的检测结果均符合

NB/T47014—2011的规定，具体分析如下：

·工艺与新技术·37

（1）其试验结果表明，制订的焊接工艺及热处理工艺均能满足Q420R钢焊接工艺评定的要求。

（2）SMAW焊接工艺评定试验结果与Q420R母材最为匹配；

（3）拉伸试验虽然均为韧性断裂，但断裂均发生在焊缝上，且高温短时的强度和冲击韧性较降低温度增加保温时间的强度高。但考虑到Q420R钢多用于制作裸式移动式压力容器，需要设备具有良好的塑性，且焊接材料具有一定的再裂倾向，因此认为适宜的热处理工艺为580℃×2h。

（4）上述试验结果表明，虽然在目前的压力容器制造标准中受压焊缝不推荐使用FCAW工艺，但若选择合理的焊接工艺参数，采用FCAW也能满足产品制造的需要。

3结论

（1）按照高匹配原则选用的焊接材料，其试验

结果也可能会出现等强匹配或低匹配。

（2）采用SMAW焊接工艺既能满足相关标准要求，同时又保证了较大的塑性储备，是相对较理想的焊接方式。

（3）虽然600℃×1h对于提高强度和冲击韧性的效果明显，但580℃×2h的试验结果用于Q420R钢焊缝更为合适。

参考文献：

［1］NB/T47014—2011承压设备焊接工艺评定［S］.北京：国家能

源局，2011.

［2］NB/T47015—2011压力容器焊接规程［S］.北京：国家能源局，

2011.

［3］http：//www.weldatlantic.com/index.asp［2019－01－28］

［4］ASME，SpecificationsforWeldingRods，Electrodes，andFiller

Metals［S］.NewYork：TheAmericanSocietyofMechanicalEngi-neer，2010.

［5］http：//www.weldatlantic.com/index.asp［2019－01－28］

［6］陈裕川.焊接工艺评定手册［M］.北京：机械工业出版社，1999.

作者简介：姚小静（1980—），女，硕士，压力容器及压力管道检验师，主要从事承压类特种设备检验研究工作.