關鍵詞：鋼管 材料 焊接 技術

 

1、材料

1.1、15MnVR鋼（母材）

1.1.1、15MnVR鋼特性

15MnVR鋼屬于正火狀態下交貨的合金結構容器鋼。（正火鋼是指在固溶強化的基礎上，通過沉淀強化和細化晶粒來進一步提高強度和保證韌性的一類低合金高強鋼）

15MnVR鋼化學成分表：

15MnVR鋼機械性能表：

注：d=彎心直徑  a=試樣厚度

這類鋼是在16Mn基礎上加入少量V（0.04%—0.12%）來達到細化晶粒和沉淀強化的。此鋼雖在正火狀態下使用，但由于碳化釩的分布形式和彌散強化程度與熱軋溫度、冷卻速度有很大的關系。因此它的性能在熱扎狀態下會有較大的波動，特別是板厚增加時更為嚴重。由于此鋼實質上應屬于沉淀強化類型的鋼，因此只有通過正火使晶粒和碳化鋼均勻彌散析出后，才能獲得較高的塑性和韌性，所以這種鋼在簽定合同時要求正火狀態下交貨，并經Ⅱ級無損檢驗合格后交貨。正火的目的是為了使這些合金元素能以細小的化合物質從固溶體中析出，并同時起細化晶粒的作用，是在提高強度的同時，適當地改善了鋼材的塑性和韌性，以達到強的綜合性能。

1.1.2、15MnVR鋼的焊接性分析

通過15MnVR的鋼特性可以看出此鋼材的焊接較好。

本結主要通過工藝因素來描述15MnVR的焊接性。（影響焊接性的主要有材料因素、工藝因素、結構因素及使用因素。）15MnVR鋼焊接性通常出現兩方面的問題：一是焊接引起的各種冶金缺陷，主要是各類裂紋問題；二是焊接時材料性能的變化。

1.1.2.1、預防焊縫中的熱裂紋

從正火鋼成分來看，此鋼含碳量較低，含Mn量較高，Mn/S（含S元素多導致熱裂紋）比能達到要求，具有較好的抗熱裂性能，正常情況下焊縫中不會出現熱裂紋。但當材料成分不合格，或因嚴重偏析使局部C、S含量偏高時，容易出現熱裂紋。在這種情況下，在焊接材料上采用含Mn較高的焊絲和含SiO₂較低的焊劑，以此降低焊縫中的含碳量和提高焊縫中的含錳量，可解決熱裂紋的問題。在阿鳩田工程中使用焊絲H₁₀Mn₂、焊劑HJ431。

1.1.2.2、預防焊縫中的冷裂紋

冷裂紋是焊接15MnVR鋼時的一個主要問題。（a）從材料本身考慮淬硬組織，是引起冷裂紋的決定性因素，由于正火鋼的強度級別較高，合金元素的含量較多。因此與低碳鋼相比，焊接性差別就大。（b）碳當量與冷裂紋傾向的關系。從前面分析材料的淬硬傾向影響冷裂紋傾向，而淬硬傾向又主要取決于鋼的化學成分，其中以碳的作用最為明顯。因此，可以通過一些經驗性的碳當量公式來粗略地估計和對此不同鋼材的冷裂紋傾向，為了減少含C量，來提高15MnVR的焊接性，但為了彌補強度的損失必須添加一些合金元素V。但碳當量不能精確地判斷冷裂紋的產生與否，因為冷裂紋的產生除了成分外還和其他因素有關。為了避免冷裂紋的產生，就需要采取較嚴格的工藝措施，在阿鳩田工程中嚴格控制線能量、焊前預熱和焊后保溫等措施。

1.1.2.3、再熱裂紋

15MnVR鋼，對再熱裂紋不敏感。

1.1.2.4、層狀撕裂

產生層狀撕裂不受鋼材的種類和強度級別的限制，撕裂與板厚有關。由于阿鳩田電站采用15MnVR鋼最薄厚度為δ=28mm，容易產生層狀撕裂。從鋼板本身來說，主要取決于冶煉條件，鋼板出廠必須進行無損檢驗，達到Ⅱ級探傷合格準予出廠。在阿鳩田工程施工過程中一般對厚度超過32mm，采取了150ºC預熱，在整個施工過程中未見層狀撕裂現象。

1.1.3、15MnVR鋼驗收

15MnVR鋼應符合《低合金高強度結構鋼》GB/T1591-1994、GB6654—1996的規定，并具有出廠合格證明書和質量保證書。15MnVR鋼使用前按GB6654-1996容器板檢查驗收。鋼板的運輸和存放應避免變形、銹蝕、損壞等。

1.2、15MnVR鋼用焊接材料

1.2.1、焊接材料是決定焊接質量的主要因素。焊接材料選擇根據15MnVR的力學性能、化學成分、接頭鋼性及鋼管的坡口形式和使用要求選取。在阿鳩田工程中手弧焊選取E5015焊條，焊絲選取H₁₀Mn₂，焊劑選HJ431。選取以上焊接材料必須具有出廠合格證明書和質量保證書。

1.2.2、焊條、焊絲及焊劑的儲存和保管應按JB3223-83《焊條質量管理規程》的規定執行。

1.2.3、焊條和焊劑使用前嚴格按使用說明書的規定進行烘干；焊絲存放在干燥的地方以防止受潮生銹。焊條、焊絲與焊劑有專人負責保管、烘干和發放，并有詳細的記錄。

1.2.4、烘干后的焊條和焊劑保存在100—150ºC的恒溫箱內，隨取隨用；每位焊工備有保溫筒，使用過程中保溫筒通電加熱，焊條用一根取一根。焊條烘干后在保溫筒內超過4h后應重新烘干，烘干次數不宜超過兩次。

1.2.5、使用的焊劑，按廠方提供的使用要求執行。焊劑烘干后，取出的焊劑放在密封的容器中帶到現場使用，烘干后的焊劑在空氣中4h以上重新烘干，烘干次數不超過3次。熔化過的焊劑不再使用，使用過的焊劑，要用米篩篩選，嚴防氧化皮等雜物混入，并經重新烘干才能再次使用。以防浪費，焊劑可反復使用，但不斷添加一些新烘干的焊劑，并摻和均勻。

2、焊接人員

2.1、焊接人員除合格的焊工外，配備專門的焊接技術人員，焊接檢查員和無損檢驗員。

2.2、參加15MnVR鋼焊接施工人員和施工管理人員均進行技術交底，以了解15MnVR鋼的焊接特點、控制項目及控制方法。焊工按水利部標準進行培訓和考核合格，持操作證書和等級證書的合格焊工上崗。

3、焊接設備

焊接設備采用參數穩定、調節靈活和安全可靠的直流逆變焊機。在施焊前，焊機上的電流電壓表必須檢定合格，埋弧焊機采用MZ1—1000型，電源電纜必須滿足大電流焊接的要求。

4、下料

15MnVR鋼劃線時要避免使用樣沖，不可留下有害痕跡，對岔管下料用樣沖時，使用尖部較鈍的，并打在管壁內側。15MnVR鋼可用火焰下料，不允許用火焰預熱和后熱。采用半自動切割機方法下料，以保證切割面質量。手工火焰切割只對岔管管節難以用半自動切割機實現的部位，切割后要求修磨平整。

5、坡口制備

由于阿鳩田電站鋼管所用鋼板為雙定尺鋼板，所以下料時就一起將坡口用半自動切割機制備，坡口型式、尺寸滿足焊接及施工圖紙要求。組對前，坡口面及坡口每側10—20mm范圍內的毛刺、鐵銹、氧化皮、渣等要清除干凈。

6、預熱

通過分析15MnVR鋼的焊接性，此鋼Ceq=0.47%（碳當量）超過0.4%。在阿鳩田工程中15MnVR鋼對厚度δ〈32mm的鋼板，鋼管焊接不需要預熱，當管板厚度δ≥32mm時，鋼管焊接需要用履帶式電加熱器進行100—150ºC加熱0.5h。

7、焊接工藝

本焊接工藝卡片是在焊接試驗及工藝評定的基礎上編制的。

15MnVR鋼焊接要點：

7.1、由于阿鳩田電站采用15MnVR鋼的鋼板厚度最小為28mm，對于板厚≥32mm的鋼板焊接采用預熱措施，預熱溫度在150℃-200℃。

7.2 焊接層間溫度<200℃，焊接線能量15KJ/cm—55KJ/cm。

埋弧自動焊采用H10Mn2 ф5.0的焊絲，直流反接，焊接電流700—750A，電弧電壓36—39V，焊接速度22m/h。

7.3焊接工藝卡片

焊接工藝卡片見附錄1

8、15MnVR鋼的焊接要求

1定位焊：定位焊一般焊在后焊側坡口內，后焊坡口側焊前必須清除定位焊道，定位焊長應為80mm，間距350mm。

2施焊前，應檢查坡口組對質量，如發現尺寸超差或坡口及其附近有缺陷，應處理后放可施焊。

3焊工要嚴格按照15MnVR鋼的焊接工藝卡進行施焊。

4焊接檢查員在施焊過程中必須嚴格監測和控制預熱溫度、道間溫度及焊接線能量，并對每條焊縫進行實際施焊規范參數記錄。

5嚴禁在非焊接部位的母材上引弧，試電流及焊接臨時支架。

6除焊縫外，埋弧焊及手工焊均應設引弧板（引入板和引出板），其尺寸為：埋弧焊大于等于50×100mm²，手弧焊可適當掌握。

7雙面焊的焊縫，一側焊后，另一側可采用碳弧氣刨清根。清根時埋弧焊必須清到第一道縫完全露出，手工焊第一道縫必須完全清楚。碳弧氣刨清根用壓縮空氣包含水分和油分加以限制。

8多層多道焊時，將每道的溶渣、飛濺仔細清理，自檢合格后，方可進行下一道焊接。焊縫的表面盡可能平滑，咬邊、焊瘤、焊趾過度角過大的部位要用細紗輪仔細打磨，使表面光滑平整。

9每條焊縫進行編號，并記下施焊焊工姓名或代號存檔。禁止打焊工鋼號。工卡具的去除嚴禁用錘擊法，應用碳弧氣刨或氣割在離管壁3mm以上外切除，嚴禁損傷母材，然后用砂輪打磨平整，并進行滲漏探傷和磁粉探傷，由于特殊原因中途停焊時，應立即進行后熱保溫，再次焊接時應全部進行預熱后方可按原焊縫要求進行焊接。

9、焊件矯形及后熱消除應力

9.1、焊件矯形應用機械方法進行，不得熱矯形。

9.2、消除焊接應力，采用加熱到250—300℃后熱方法，保溫1.2h—1.8h，分階段降溫方法。

10、焊縫質量檢驗

10.1、焊縫焊后，首先進行外觀檢查。外觀檢查合格后方可進行內部質量檢查，內部質量無損檢查在焊縫焊完48h后進行。

10.2、焊縫外觀質量及內部質量檢查按GB3323—1987《鋼熔化焊接對接接頭射線照相和質量分級》、GB11345—1989《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級》、JB3965—1985《鋼制壓力容器磁粉探傷》等規范要求進行。

11、修補

手工焊或埋弧焊如果出現了問題就要進行修補，修補注意如下幾條：

11.1、焊件表面被電弧、碳弧氣刨等損傷處必須用砂輪打磨、平滑過度，然后應進行滲漏或磁粉探傷。打磨深度超過板厚10%或大于2mm時，應進行焊接修補。

11.2、焊縫內部超標缺陷，表面裂紋修補前，應分析原因，指定切實可行的修補方案。

11.3、局部焊縫修補時預熱應在修補處四周15mm范圍內進行，預熱溫度控制在120—170ºC。

11.4、焊縫缺陷可用碳弧氣刨，砂輪機打磨方法清除，不允許用電弧或氣刨火焰熔除，用碳弧氣刨清除后再用砂輪機清除滲碳層。焊縫缺陷清除后，不允許有毛刺和凹痕，坡口底部應圓滑過渡。

11.5、焊縫缺陷修補施焊與原焊縫相同，焊接修補后要后熱，后熱溫度與原焊縫相同。

11.6、缺陷修補只允許一次，同一部位修補超過一次應經焊接技術負責人研究批準后方可進行。

11.7、修補后按原焊縫的質量要求，檢查方法對修補處及其附近進行100%檢查。其中內部質量檢驗應再修補完成48h后進行。

12、結束語

目前，我國水電建設突飛猛進，不僅機組發電容量增大，鋼管直徑越來越大，其建設項目的比重大副度增加，管線壓力越來越高，管線鋼等級40公斤級、60公斤級、70公斤級等高強鋼的使用日趨廣泛。我局長期致力于水電站壓力鋼管制造，進行多方面的研究開發工作，為我國水電事業的建設作出了貢獻。
附錄1                 焊接工藝卡片1

焊接工藝卡片1（續表）

焊接工藝卡片2

焊接工藝卡片2（續表）