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摘要：通过对13MnNiMoR钢的焊接性进行分析，制订出合理的焊接工艺，并通过性能试验进行验证，能够满足标准的要求。
关键词：13MnNiMoR钢 焊接性 焊接工艺
在碳素钢基础上加入一定量的合金元素即构成低合金钢[1]。低合金钢中合金元素的总含量一般不超过5%，以提高钢的强度并保证其具有一定的塑性和韧性。这类钢的主要特点是强度高，韧性、塑性也较好，广泛应用于压力容器、工程机械、桥梁、舰船、飞机和其他钢结构。在现代压力容器制造中，目前已广泛采用各种低合金高强度钢。对于这类钢的共同特点是焊缝热影响区具有不同程度的淬硬倾向，对冷裂纹比较敏感。在各种弧焊法的冷却速度下都可能在热影响区内形成马氏体组织，从而降低了接头的韧性。某汽包装置，其材质为13MnNiMoR，直径为φ1500mm，板厚为56mm，设计压力为12.1MPa，属于Ⅲ类压力容器，其制造执行GB150-2011《压力容器》、TGS R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》和JB/T4731-2005《钢制卧式容器》。
一、13MnNiMoR钢的焊接性分析
13MnNiMoR钢[2]是一种多元合金低合金高强度钢，标准规定的最低抗拉强度为570MPa。这种钢也是一种综合力学性能较好的热强钢，最高工作温度可达450℃。13MnNiMoR钢的合金元素总平均质量分数已超过3.0%，具有较高的淬硬倾向，焊缝金属和热影响区的冷裂敏感性较大，焊接性相对较差。其化学成分和力学性能列于表1和表2中：
从表1可知，13MnNiMoR钢的C、S及P元素的含量非常低，Mn含量及Mn/S较高。因此，热裂纹的倾向较小。焊接冷裂纹是焊接生产中较为普遍的一种裂纹，它在焊后冷至低温下产生的，这种裂纹常发生在低合金钢的热影响区，主要受碳当量、氢含量以及拘束度的影响。对于这种低合金高强钢，应用较为广泛的是国际焊接学会（ⅡW ）推荐的碳当量公式CE（ⅡW） [3]：
根据表1中所列该钢的化学成分，计算所得的结果为：C（ⅡW）=0.4977%。
计算出的13MnNiMoR钢碳当量较大，说明该钢在焊接时淬硬倾向较大，由于所用钢材的板厚较厚，冷裂纹产生的几率也就相对较大。因此，该类钢在焊接过程中，如何防止冷裂纹的产生是进行焊接工艺制订首要考虑的问题。
二、焊接工艺评定
（一）焊前准备
1.坡口形式
图1 工艺评定试板的坡口形式
2.焊前清理
焊前打磨去除坡口周围两侧各20mm范围内的油污、油脂和杂质，直至露出金属光泽。
（二）焊接方法及焊材的选择
根据等强等成分的原则，按NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》的有关规定进行评定，焊接方法为埋弧焊（SAW）。选用四川大西洋焊接材料有限公司提供的CHW-S9焊丝和CHF101焊剂，符合AWS A5.23标准规定。CHW-S9/CHF101组合，具有优良的焊接工艺性能，电弧燃烧稳定，焊缝成形美观，脱渣容易，焊缝具有较高的低温冲击韧性。CHF101是氟碱型烧结焊剂，碱度约1.8，呈球形颗粒，粒度为10～60目。CHW-S9焊丝化学成分及熔敷金属力学性能见表3及表4。
表3 CHW-S9焊丝的化学成分 Wt%
表4 CHW-S9焊丝与焊剂CHF101配合的熔敷金属力学性能
（三）工艺措施及焊接参数
在拟定13MnNiMoR钢焊接工艺时，应以防止接头各区马氏体组织和冷裂纹的形成为基本出发点。首先焊前应适当预热，要求预热温度≥150℃，降低焊缝和热影响区的冷却速度；其次是建立低氢的焊接条件，包括采用低氢的焊接方法，焊剂按规定进行烘干，焊接区和焊丝表面的油污和水分应清除干净；第三是焊接过程中保持层间温度。上述工艺措施还不足以可靠地防止冷裂纹的形成，则应采取低温后热或消氢处理等工艺措施。为保证该钢焊接接头的塑性和韧性，除了采用低氢型焊接材料之外，必须注意正确地选择焊接热输入。按照上述工艺措施，施焊过程中，焊接工艺参数严格按照表5中的执行。
表5焊接工艺参数
（四）焊后热处理及无损检测
评定试板按NB/T 47015-2011规定，13MnNiMoR材质热处理温度为600-640℃，保温时间为6h，具体热处理规范为620±14℃×6+2Hrs。热处理后，评定试板按JB/T4730.2-2005进行100%RT探伤检测，合格等级为Ⅱ级，并按JB/T4730.4-2005和JB/T4730.3-2005分别进行100%MT和100%UT探伤检测，合格等级为Ⅰ级。
三、工艺评定结果分析
试板探伤合格后，按照NB/T47014-2011的要求，进行了弯曲试验和力学性能试验。试验结果见表6所示：
表6 试板性能试验结果
从上表可以看出，试验结果完全满足标准的要求。
四、结论
本文对13MnNiMoR钢的焊接性进行分析，在制造过程中采用合理的工艺措施，能够有效避免焊接冷裂纹的产生。通过实践证明，其弯曲性能和力学性能满足要求，并且获得无缺陷的焊接接头。
参考文献
[1] 压力容器用材料及热处理 [M]..北京：化学工业出版社，2004
[2] 钢制压力容器焊接工艺 [M]..北京：机械工业出版社，2007
[3] 压力容器制造和修理 [M]..北京：化学工业出版社，2004
作者简介：王丽萍（1962—），女，高级工程师，学士，主要从事压力管道和压力容器定期检验和监督检验工作。
关键词：13MnNiMoR钢 焊接性 焊接工艺
在碳素钢基础上加入一定量的合金元素即构成低合金钢[1]。低合金钢中合金元素的总含量一般不超过5%，以提高钢的强度并保证其具有一定的塑性和韧性。这类钢的主要特点是强度高，韧性、塑性也较好，广泛应用于压力容器、工程机械、桥梁、舰船、飞机和其他钢结构。在现代压力容器制造中，目前已广泛采用各种低合金高强度钢。对于这类钢的共同特点是焊缝热影响区具有不同程度的淬硬倾向，对冷裂纹比较敏感。在各种弧焊法的冷却速度下都可能在热影响区内形成马氏体组织，从而降低了接头的韧性。某汽包装置，其材质为13MnNiMoR，直径为φ1500mm，板厚为56mm，设计压力为12.1MPa，属于Ⅲ类压力容器，其制造执行GB150-2011《压力容器》、TGS R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》和JB/T4731-2005《钢制卧式容器》。
一、13MnNiMoR钢的焊接性分析
13MnNiMoR钢[2]是一种多元合金低合金高强度钢，标准规定的最低抗拉强度为570MPa。这种钢也是一种综合力学性能较好的热强钢，最高工作温度可达450℃。13MnNiMoR钢的合金元素总平均质量分数已超过3.0%，具有较高的淬硬倾向，焊缝金属和热影响区的冷裂敏感性较大，焊接性相对较差。其化学成分和力学性能列于表1和表2中：
从表1可知，13MnNiMoR钢的C、S及P元素的含量非常低，Mn含量及Mn/S较高。因此，热裂纹的倾向较小。焊接冷裂纹是焊接生产中较为普遍的一种裂纹，它在焊后冷至低温下产生的，这种裂纹常发生在低合金钢的热影响区，主要受碳当量、氢含量以及拘束度的影响。对于这种低合金高强钢，应用较为广泛的是国际焊接学会（ⅡW ）推荐的碳当量公式CE（ⅡW） [3]：
根据表1中所列该钢的化学成分，计算所得的结果为：C（ⅡW）=0.4977%。
计算出的13MnNiMoR钢碳当量较大，说明该钢在焊接时淬硬倾向较大，由于所用钢材的板厚较厚，冷裂纹产生的几率也就相对较大。因此，该类钢在焊接过程中，如何防止冷裂纹的产生是进行焊接工艺制订首要考虑的问题。
二、焊接工艺评定
（一）焊前准备
1.坡口形式
图1 工艺评定试板的坡口形式
2.焊前清理
焊前打磨去除坡口周围两侧各20mm范围内的油污、油脂和杂质，直至露出金属光泽。
（二）焊接方法及焊材的选择
根据等强等成分的原则，按NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》的有关规定进行评定，焊接方法为埋弧焊（SAW）。选用四川大西洋焊接材料有限公司提供的CHW-S9焊丝和CHF101焊剂，符合AWS A5.23标准规定。CHW-S9/CHF101组合，具有优良的焊接工艺性能，电弧燃烧稳定，焊缝成形美观，脱渣容易，焊缝具有较高的低温冲击韧性。CHF101是氟碱型烧结焊剂，碱度约1.8，呈球形颗粒，粒度为10～60目。CHW-S9焊丝化学成分及熔敷金属力学性能见表3及表4。
表3 CHW-S9焊丝的化学成分 Wt%
表4 CHW-S9焊丝与焊剂CHF101配合的熔敷金属力学性能
（三）工艺措施及焊接参数
在拟定13MnNiMoR钢焊接工艺时，应以防止接头各区马氏体组织和冷裂纹的形成为基本出发点。首先焊前应适当预热，要求预热温度≥150℃，降低焊缝和热影响区的冷却速度；其次是建立低氢的焊接条件，包括采用低氢的焊接方法，焊剂按规定进行烘干，焊接区和焊丝表面的油污和水分应清除干净；第三是焊接过程中保持层间温度。上述工艺措施还不足以可靠地防止冷裂纹的形成，则应采取低温后热或消氢处理等工艺措施。为保证该钢焊接接头的塑性和韧性，除了采用低氢型焊接材料之外，必须注意正确地选择焊接热输入。按照上述工艺措施，施焊过程中，焊接工艺参数严格按照表5中的执行。
表5焊接工艺参数
（四）焊后热处理及无损检测
评定试板按NB/T 47015-2011规定，13MnNiMoR材质热处理温度为600-640℃，保温时间为6h，具体热处理规范为620±14℃×6+2Hrs。热处理后，评定试板按JB/T4730.2-2005进行100%RT探伤检测，合格等级为Ⅱ级，并按JB/T4730.4-2005和JB/T4730.3-2005分别进行100%MT和100%UT探伤检测，合格等级为Ⅰ级。
三、工艺评定结果分析
试板探伤合格后，按照NB/T47014-2011的要求，进行了弯曲试验和力学性能试验。试验结果见表6所示：
表6 试板性能试验结果
从上表可以看出，试验结果完全满足标准的要求。
四、结论
本文对13MnNiMoR钢的焊接性进行分析，在制造过程中采用合理的工艺措施，能够有效避免焊接冷裂纹的产生。通过实践证明，其弯曲性能和力学性能满足要求，并且获得无缺陷的焊接接头。
参考文献
[1] 压力容器用材料及热处理 [M]..北京：化学工业出版社，2004
[2] 钢制压力容器焊接工艺 [M]..北京：机械工业出版社，2007
[3] 压力容器制造和修理 [M]..北京：化学工业出版社，2004
作者简介：王丽萍（1962—），女，高级工程师，学士，主要从事压力管道和压力容器定期检验和监督检验工作。