浅谈16Mn压力容器的手工电弧焊工艺

郑腾飞

（华北水利水电大学，河南 郑州 450045）

钢焊接压力容器是焊接结构一个类别，广泛用于石油、机械、航空航天和海洋工业等。由于压力容器高质量和性能要求，焊接工艺是压力容器制造过程中保证其质量要求的关键工序。焊接后的质量直接影响到压力容器的性能和安全性。因此，在压力容器的制造中，有必要设计合理的焊接工艺并严格执行焊接规范，以保质量和性能满足设计和使用要求。16Mn钢是我国目前使用最广泛的低合金钢之一，综合性能好、低温性能好，且具有良好焊接性能，广泛用于压力容器、石油储罐、锅炉管道等。

1 16Mn的化学组织与性能

16Mn的化学成分为：C含量小于等于0.2%；Mn含量为1.00%～1.60%；Si含量小于等于0.55%；P含量小于等于0.045%；S含量小于等于0.045%；从化学成分可以看出，16Mn含碳量低于含Mn量，且Mn/S含量高，满足焊接要求。主要是在C元素含量的基础上，加入Mn、Si等合金元素，这些合金元素通过固溶强化的作用来保证钢的强度，其金相组织是细晶粒铁素体和珠光体的组合，通常在热轧条件下使用，16Mn的屈服强度Rel大于等于345MPa，且抗拉强度Rm在490～670 MPa，与Q235钢相比较，其耐大气的腐蚀性提高了20%～38%，强度提高了50%，低温冲击韧性也优于它，得到应用广泛。

2 16Mn的焊接性分析

2.1 冷裂纹

热影响区最高硬度、淬硬倾向和碳当量都影响冷裂纹的产生。且16Mn碳含量低，淬硬倾向较小，碳当量小于0.4%，合金元素含量较少，冷裂倾向较小，同时随着热影响区最高硬度的增加，冷裂倾向也会增加。控制冷裂纹的产生，可以通过降低冷却速度来减小热影响区淬硬性和热影响区最高硬度，从而减小冷裂纹产生的倾向。

2.2 热裂纹

热裂纹指在高温下结晶产生的。经常出现在含较多杂质的焊缝中（特别是含较多碳、硫、磷的碳钢焊缝中），根据16Mn的化学成分，此钢碳含量较低，锰含量较高，整体上Mn/S较高，满足焊接要求，有较好的抗热裂性能。因此焊接过程中热裂纹倾向性较小，正常情况下，焊接过程中焊缝一般不会出现热裂纹。当材料中如C、S、P元素的含量偏高或发生严重偏析时，也会发生热裂纹。这时，焊接材料可用于调整焊缝金属的成分，降低焊缝中含碳量，并提高焊缝中锰含量。降低焊缝金属的热裂纹，也可从工艺上降低母材在焊缝中的熔合比，提高焊缝的成形系数，防止焊缝金属形成热裂纹。

2.3 再热裂纹

再热裂纹的产生原因与晶界脆化有关，晶界脆化是由奥氏体晶界的杂质元素偏析和碳化物的二次硬化引起。16Mn钢合金元素中C化物形成元素较少，一般再热裂纹倾向较小。

2.4 热影响区脆化

16Mn热影响区性能主要表现为脆化问题。当加热温度高于1200℃时，焊接热影响区的过热区晶粒可能会长大，导致粗晶脆化且韧性会大大降低。当16Mn钢采取过大焊接热输入能量焊接时，高温停留时间较长，粗晶区的韧性可能因晶粒长大或魏氏组织出现而降低；当焊接热输入过小时，粗晶区马氏体组织比例会增加，强度增加，韧性下降，不利于焊接质量。因此，焊接过程中要选择合适的焊接热输入以避免热影响区的脆化问题。

2.5 层状撕裂

钢的类型和强度级别不会影响层状撕裂。就钢材的本质而言，它主要取决于冶炼的质量，钢中的片状硫化物和层状硅酸盐或同一平面内大量成片密集的氧化物夹杂都会降低Z向的塑性，进而增大层状撕裂的倾向。其中，层状硫化物的出现是最为严重的，通过改善接头形式，可减小钢板Z向的应力应变；在满足产品使用要求的前提下，使用强度较低的焊条、使用低强焊条预堆边、预热及降低氢含量等措施都有助于防止层状撕裂产生。对于16Mn钢来说其杂质元素和有害元素含量控制严格，所以焊接12mm厚的压力容器时选择合适的焊接工艺，可减小或避免层状撕裂出现的可能。

3 焊接工艺

文章采用手工电弧焊焊接12 mm厚的16Mn压力容器，为避免焊接缺陷的产生和保证高质量的焊接接头，应选用合适的焊接工艺参数。

3.1 预热温度的确定

预热主要是为了防止产生裂纹，改善组织、性能。可采用预热减小温度差，从而降低接头焊后的冷却速度，并避免因快冷产生淬硬组织，同时减小焊接应力和焊接变形。在确定预热温度时，预热温度与钢材的淬硬性、焊接板材厚度、拘束度和所含氢含量等因素有关。综合考虑16Mn压力容器的成分和性能，预热温度可以选用 100～150℃。

3.2 焊接材料的选择

选用焊接材料需满足以下条件：①不能产生裂纹和焊接缺陷；②可满足使用性能的要求。通常选择焊接材料时遵循等强匹配原则，即焊缝的强度性能应等于母材，有时采用焊缝的强度性能低于母材；同时，还需考虑焊接过程中母材的熔入量和焊后冷却速度产生的影响。焊接薄板时，因母材熔入量较大，应选用强度比母材低的焊接材料，焊接厚板深坡口时则相反，为确保焊缝性能不低于母材，特别是焊缝的韧性指标，通过手工电弧焊焊接12mm厚的16Mn压力容器时，用焊条型号为E5015，焊条牌号多J507，使用前在350℃下干燥1h，然后置于100～150℃的保温箱内，随用随取。

3.3 坡口的选择和清理

焊前，根据材料和板厚设计焊接的熔透深度和焊缝形状，选择合适的坡口形式。在用手工电弧焊焊接12mm的16Mn压力容器时，焊件要求质量高，所以为了保证焊缝有效厚度和焊透，改善焊缝成形，加工成V形（双面焊）状的坡口，在加工坡口时采用热切割等技术，切割过程应注意一些问题，最重要的是防止母材边缘形成一定深度的淬硬层，这种淬硬层塑性较低，通常这种淬硬层会成为冷加工裂纹源。坡口加工后，应对坡口边缘上的油、锈、水垢等污物在焊接前处理，确保焊接过程良好接触，以便获得较好的焊缝。同时，为了防止焊接中焊缝发生渗碳，焊前必须打磨气刨的坡口表面，可以采用砂轮进行打磨，来去掉坡口表面的渗碳层。

3.4 焊接工艺参数

根据焊件厚度、焊接位置、接头形式、焊接层数选择不同的焊接电流。焊接电流的选择非常重要，这将影响焊接的质量和生产效率。要综合考虑焊条类型、直径和厚度，接头形式、焊缝位置及焊接层数等因素。当选用大直径焊条时，需较多热量熔化焊条，这时必须增大焊接电流；采用多层焊和单层焊焊接电流会不同，进行多层焊时每层的焊接电流又不同。在焊接打底焊道时，应采用较小的焊接电流来确保背面焊道的质量。在焊接填充焊道时，为了提高焊接效率，保证良好的熔合，可用较大的电流。焊接盖面焊道时，为防止边缘产生咬边且形成美观的焊道，应尽量使用小电流。焊接16Mn压力容器时，通常用多层焊或多层多道焊，层数增加有利于改善焊缝的塑性和韧性。通常，多层焊和多层多道焊接头形成较细的组织和较窄的热影响区。在焊接后焊道时，加热熔化焊材的同时也会对前焊道有热处理作用，因此，会获得较好塑韧性的接头。同时多层焊也存在一些缺点，层数增加时，生产率就会有所下降，往往也增加焊接变形。

图1 X形坡口的接头形式

表1 16Mn压力容器的焊接工艺参数工艺参数

焊接工艺参数如表1所示，V形坡口双面焊接，开60°V形坡口，留2mm钝边、间隙2mm，正、反面分别分两层进行焊接，控制好焊接速度，每焊完一层要严格清查避免产生未焊透或夹渣等缺陷。正面焊后用碳弧气刨对焊缝进行清根处理，把未焊透及焊接缺陷刨掉，焊后进600～650℃回火处理，焊缝质量检验应符合要求。