许天其
浙江金象科技有限公司 浙江金华 322100
摘要：随着我国工业的飞速发展，移动式压力容器轻型化的市场需求不断增加，让Q420R低合金高强钢得到了广泛应用，其中就包括裸式移动压力容器制造。但是，当前对于焊接工艺没有制定出相应的焊接标准，因此，文章结合相关数据，通过验证试验等方式对焊接工艺开展了相关的研究。
关键词：Q420R；焊接工艺；焊接工艺评定
前言
Q420R钢被纳入承压设备用钢板是在2015年刊印的GB713-2014《锅炉和压力容器用钢板》标准中被明确的，由于Q420R具有众多优点，诸如强度高、韧性大、低脆性转变温度和焊接性较强，所以被广泛用来制造移动式压力容器，其中包括汽车罐车和铁路罐车。然而，NB/T 47014-2011《承压设备焊接工艺评定》与NB/T 47015-2011《压力容器焊接规程》对于该材料的类别和推荐焊接焊料并没有进行明确，所以，对Q420R钢的焊接工艺进行研究分析的空白亟待填补。
1.焊接材料及焊接工艺分析
1.1焊接材料的选用分析
通过实际情况可知，Q420R材料还没有所需的焊材，但就Q420R中含有的相关材质的化学成分和力学性能与GB/T 713-2014中的相关材质做对比，可以从中看到与Q420R最为相近的是18MnMoNbR。尽管两者间略有不同，18MnMoNbR富含的Mo含量超出了Q420R近8倍左右，然而其他元素的化学成分和力学性能都近乎相同。其中Mo元素的作用是可以让钢的晶粒细化，进而淬透性和热强性能得到有效提升，即使是在高温的情况下仍然能够钢的强度和抗蠕变能力得到足够的满足，一般用于制造移动式压力容器的设计温度大约在-40～60℃左右，所以在进行焊材的选择上不用将高温对其焊缝的影响纳入考虑范围，此外，根据NB/T 47014-2011和NB/T 47015-2011的相关规定可知，对压力容器低合金高强度钢的选用标准要采用与之等强的材料，而选用Q420R钢的所选焊材可以以18MnMoNbR钢焊材作为参考，基于焊接时会产生热裂纹和冷裂纹的可能性，所以在对焊材进行选择时要尽可能选用焊材和焊剂中含有较高Mn的产品，以此让焊缝中的C含量有所降低，让焊缝中的Mn含量提高的同时使热裂纹的敏感度降低。焊前的预热、焊后的缓冷以及焊后应力的热处理都要应用低氢型焊条来完成，以此来让冷裂纹的敏感度降低。以等强匹配为原则，根据多种文件和规定可知Q420R的焊材选用情况如表1所示，其中化学成分和应力性能如表2，表3所示。
表1 Q420R钢焊接材料选用情况
1.2 Q420R钢焊接工艺
当焊接材料已经确定后，为防止Q420R钢出现热裂纹和焊后冷裂纹，就要针对低合金制移动式压力容器进行整体性的应力热处理，同时在进行焊接工艺的拟定时要注意以下问题：
第一，在焊接过程中要注意预热温度和道间温度，不能淬硬，不能过热也不能有过大的热输入，预热和道间温度在这方面起到了预防的作用，关系重大。根据《焊接工艺评定手册》对预热温度有着明确的计算，碳当量对预热温度进行明确，公式表现为：
其中
的数值为0.639%，预热温度为109.29℃，以Q420R钢的淬硬倾向为考虑条件，预热温度已经进行适当的提升，可将预热温度初步设置为150℃。为了能够让焊接过程中的预热温度持续保持，就要降预热的范围扩大到接头中心两侧各3倍板厚的宽度，不能小于100mm，长度不超过50mm。要在加热面的背面进行温度的测定，如果情况不允许，那么，就要移除加热源，等钢板厚度方向的温度已经均匀后可以进行温度的测定。根据相关资料可知，道间温度设置在150℃的时候，焊后要马上进行1.5h×350℃的消氢处理，可以避免出现应力裂纹的发生。
第二，决定热输入大小的因素有很多，包括了焊接电流、电弧电压以及焊接速度。同时，热输入对于焊缝和热影响区的冷却速度有直接的影响，对合金钢焊接接头的淬硬程度、氢的扩散速度以及焊接残余的应力水平都造成了决定性的影响，进而会对接头的冷裂倾向进行干预。所以，一般情况下，需焊接低合金钢进行焊接时会使用大热输入法来进行，然而，基于Q420R为低合金高强钢的原因，其焊接材料属于Mn-Mo-V系列，至此，如果使用了多大的热输入就会极大的对焊接接头的冲击韧性和强度造成重大影响，进而导致出现热裂纹情况的发生。所以说，针对Q420R进行焊接，就要以大坡口角度，尽量使用多层多道焊接的方法，让热输入比以往稍微偏大一些，但要对其进行严格控制，不可超出承受范围，以免因为过热而造成热裂纹现象。在焊接的方法上，要多使用快速多道焊的方式，从而可以利用焊接顺序之间的热作用来实现细化晶粒，操作期间要对焊接加以控制，尽量不要出现连续焊接的情况。
第三，根据NB/T 47015-2011中对于热处理规范的推荐温度为600℃，保温时间长达δ/25 h，热处理保温温度如果降低了30℃，那么其保温的时间会延长至2h，由于焊接材料是Mn-Mo-V系材料，如果进行了不合理的消处理会出现反向效果，让焊缝金属和热影响区出现脆变和再热裂纹的可能，对于以上考虑，进行工艺评定试验的过程中，分别对两种热处理工艺进行了独立的试验，以期可以通过焊接工艺评定试验来对消除应力处理工艺的最佳参数进行明确。
2.焊接工艺评定试验分析
2.1焊接方法的选用
一般情况下，常被用于Q420R压力容器制造的焊接方法包括SMAW，SAW，GTAW和FCAW这四种，其对应的焊接工艺评定参数如表4所示。
表4 焊接工艺评定参数
通过四种常见焊接方法可知，SAW是其中热输入最高的焊接法，这种工艺如果稳定就会极大的提高工作效率。而其余三种都是小热输入焊接法，尽管熔敷效率相对较低，但是因为焊缝横截面的缩小而让焊接的周期变短，可以有效降低焊接材料的使用，因而降低了成本投入。处于提高生产效率和焊接质量考虑，对于移动式压力容器进行焊接，简体A与B类会采用SMAW和SAW焊接法，接管和法兰等B，C，D部分多以SMAW和GTAW为主，剩下的受压元件和非受压元件以FCAW为主。
2.2试验结果分析
通过以上试验得出了以下结果：首先制订的焊接工艺和热处理工艺对Q420R钢焊接工艺评定的要求均能满足。其次焊接工艺的评定结果显示SMAW与Q420R母材最为合适。试验中，尽管拉伸试验都出现了韧性断裂的情况，但发生位置在焊缝，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。因Q420R钢是用于制造移动式压力容器，因此热处理工艺的最佳参数是580℃×2h。试验结果表明，尽管在压力容器制造标准中不推荐使用FCAW工艺进行受压焊缝的操作，但如果选择合理的焊接工艺参数用于制造产品需选择FCAW焊接法。
试验结果，抗拉强度都在610-660MPa间，-40℃时的冲击吸收功在54-96J间。同一焊接方法，热处理参数580℃×2h的试样抗拉强度比600℃×1h平均下降10MPa，但冲击吸收功平均值上升20J以上。
结语
综上说述，以高匹配原则进行焊接材料选择会出现高匹配或低匹配的结果；以相关标准来说SMAW满足焊接工艺要求，能够保证较大塑性储备，是最合适的焊接方法；另一方面，为提高焊接接头的强度和韧性，作为焊接的辅助手段之一的焊后热处理，其温度和时间按NB/T47015-2011推荐虽然是600℃×1h，但试验显示Q420R钢最佳焊后热处理参数为580℃×2h。
参考文献
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