WB36钢焊接试验研究及应用马玉红

WB36钢焊接试验研究及应用马玉红

吴剑

吴剑（中国水利电力物资有限公司）

摘要：本文对15NiCuMoNb5(WB36)钢的化学成分和机械特性分析，通过对WB36钢焊接性和焊接接头性能系列试验，从而掌握了该钢的焊接特性及工艺性能，在试验基础上，结合锅炉受压件产品实际结构和接头形式进行了相关焊接工艺评定试验。

关键词：WB36钢主给水管道焊接性试验焊接工艺评定试验

WB36钢是含Nb微合金化的贝氏体Ni-Cu-Mo钢，是德国蒂森钢厂、曼内斯曼钢厂和日本住友金属株式会社生产的Ni-Cu-Mo型低合金钢，已作为合金钢被列入VdTUV法规。15NiCuMoNb5，在EN10216-2标准中牌号为15NiCuMo-Nb5*6-4，该钢的特点是具有较高的强度，且具有良好的的焊接性能，室温抗拉强度可达610Mp以上，屈服强度大于等于440MPa，主要用于臂温≤500℃锅炉厚汽包、集箱、分离器管道、四大管道中的高压给水、再热冷锻的输放水系统。

WB36钢完全可以替代国产20G钢管及SA106B级别的ASME法规钢管，从而可以大大减少管子壁厚和金属重量。

115NiCuMoNb5（WB36），以下简称WB36钢化学成分及机械性能

1.1WB36钢标准化学成分及试验用钢板的化学成分,见表一。

1.2组织形态WB36的组织形态为贝氏体和铁素体组织，正火处理后的冷却速度决定了这两种组织的比例，冷却速度越快，贝氏体的含量越多。通常情况下，贝氏体含量为95~97%。贝氏体含量的增加，能够增加材料的强度。

1.3热处理工艺

正火温度：900～980℃

回火温度：610～640℃

通常使用的WB36钢为正火＋回火热处理，当管道壁厚较大时，为了获得预计的组织和性能，热处理工艺为水淬火＋回火。

1.4WB36钢标准机械性能及试验用钢板的机械性能WB36钢标准机械性能及试验用钢板的机械性能见表2。

2WB36钢抗裂性试验

2.1碳当量估算根据有关资料介绍，当Ceq＞0.46%时，说明该钢具有淬硬倾向，有产生冷裂纹的可能性。

国际焊接学会推荐的碳当量公式如下：

根据以上公式，试验用钢板碳当量Ceq=0.74(%)，说明WB钢碳当量较高，在焊接过程中要采取一定的预热措施。

2.2预热温度的理论计算按照日本伊藤.别所提出的防止根部裂纹的临界预热温度:

式中，[H]—焊缝金属扩散氢含量，按4ml/100g计算

t—板厚，t＝20mm

经初步计算，推断WB36钢的焊接预热温度应在170℃左右。

2.3斜Y型坡口焊接裂纹试验斜Y型坡口焊接裂纹试验的试件形状尺寸及试件的制备按GB4675.1《焊接性试验斜Y型坡口焊接裂纹试验方法》中的规定。

2.3.1试验条件

试板尺寸：220×75×26mm

试验焊条牌号及规格：J607φ4.0mm

试验焊条烘干温度及时间：350℃/1h

焊接规范：160-170A

焊接速度：160mm/min

试板坡口装配时，利用塞尺保证控制根部间隙在2＋0.05mm(标准间隙为2±0.2mm)。

裂纹试验试板焊后放置48小时后用着色探伤方法观察其表面裂纹，测量后计算出表面裂纹率，然后沿焊缝长度方向用锯床慢速，截取5个截面，经腐蚀后，在放大镜下观察其断面裂纹，测量后计算出断面裂纹率。

2.3.2试验结果

试验结果见表3。

从斜Y型坡口焊接裂纹试验结果来看，WB36钢的预热温度为150℃时就可以有效地防止焊接裂纹的产生。

2.4焊接热影响区最高硬度试验焊接热影响区最高硬度试验的试件形状尺寸及试件的制备按GB4675.5的规定。

2.4.1试验条件

试板尺寸：200×75×20mm（室温）200×150×20mm（预热）

试验焊条牌号及规格：J607φ4.0mm

试验焊条烘干温度及时间：350℃/1h

焊接规范：170A

焊接速度：150±10mm/min

试验试板焊后放置48小时后，用带锯床慢速按规定截取硬度试样，经研磨腐蚀后，立即进行硬度测试。

2.4.2试验结果

试验结果见表4。

通过硬度试验，可以看出，不预热焊时，焊缝热影响区的硬度值虽然没有较大的峰值，但普遍偏高；随着预热温度的提高，焊缝热影响区的硬度值逐渐降低，不预热和预热焊的焊缝热影响区硬度值相差较大，预热150℃时，焊缝热影响区的硬度值已接近母材的硬度水平。

3WB36钢的焊接工艺评定试验

本课题在焊接性试验基础上，结合生产条件和产品实际结构，进行了焊接工艺评定试验，以便为产品焊接提供技术支持、积累经验。为便于对比和分析研究起见，焊接工艺评定选用了国内和国外两种牌号的焊接材料，见表5。这样，可以为产品焊接工艺的制定提供更大的灵活性。

3.1WB36钢环缝对接接头手工氩弧焊+焊条电弧焊工艺评定试验

试件规格：φ356×25mm

焊接材料：

焊丝：H08Mn2Moφ2.5mm

焊条：J607（E6015-D1）φ4.0mm、φ5.0mm

最低预热温度为150℃，由于手工氩弧焊(GTAW)为低氢焊接方法，故其最低预热温度定为100℃，焊接时最高层间温度控制在300℃。焊接规范参数见表6。

工艺评定试件焊后经100%UT+100%MT无损探伤合格后进行焊后热处理，热处理规范：570-590℃保温2.5小时。评定试件的综合力学性能试验结果见表7和表8。

3.2WB36钢环缝对接接头埋弧自动焊接工艺评定

试件规格：φ356×50mm（钢管）

焊丝：H10Mn2Moφ3.0mm焊剂：HJ350

最低预热温度：150℃，焊接时最高层间温度控制在300℃。

焊接规范参数：

焊接电流：420-470A

电弧电压：30-32V

焊接速度：20-28m/h

焊丝伸出长度：25-30mm

焊后热处理：570-590℃保温2.5小时。

评定试件焊缝焊后经100%UT+100%MT无损探伤合格。

力学性能结果见表9，表10。

3.3WB36钢管环缝对接接头采用进口焊材的焊接工艺评定

试件规格：φ244.5×20mm

焊接方法：手工钨极氩弧焊+焊条电弧焊

保护气体：Ar流量：10～15L/min背面保护气Ar：20～25L/min

焊接位置：水平固定

预热温度为150～250℃

层间温度控制在150～350℃。

焊后热处理：580-600℃保温1小时。

工艺评定试件焊缝焊后经100%UT+100%MT无损探伤合格。

工艺评定试件的焊接参数见表11。

.4WB36钢纵缝对接接头采用国内焊材的焊接工艺评定

焊接接头形式；见下图，试件为板厚80毫米对接接头。

焊接方法:焊条电弧（SMAW）+埋弧自动焊(SAW)

焊前预热温度：≥150℃

层间温度:200～320℃

焊后后热：300～350℃/保温2小时

焊后热处理：590-610℃/保温4小时

评定试件焊缝焊后经100%UT+100%MT无损探伤合格。

工艺评定试件的焊接工艺参数见表12。

工艺评定试件的综合力学试验结果见表13。

4结论

WB36具有良好的加工性和焊接性。实践证明，常采用的普通焊接方法如TIG(钨及氩弧焊)、SMAW（焊条电弧焊）、SAW（埋弧自动焊）在很大壁厚范围内焊接WB36都是成功的。在焊接时，必须采用焊接工艺评定合格的填充金属，即与WB36强度匹配的焊条、焊丝或焊丝/焊剂组合焊接材料以及工艺评定范围内的焊接工艺参数。

通过试验和应用得出以下结论：

4.1斜Y型坡口焊接裂纹试验结果表明，焊接时焊条电弧焊和埋弧自动焊焊前需经≥150℃的预热，且焊条电弧焊时选用低氢型焊条，埋弧焊时配用中性焊剂，可以有效地防止焊接冷裂纹的产生。

4.2焊接热影响区最高硬度试验结果表明，焊接后最大硬度区域在热影响区。不预热焊时，焊缝热影响区的硬度值偏高，随大值(HV10)已达300左右；随着预热温度的提高，焊缝热影响区的硬度值逐渐降低，预热150℃时，焊缝热影响区的硬度值最大为240左右，已接近母材的硬度水平。

4.3通过国产和国外焊接材料的对比试验，可看出，国产J607（GBE6015-D1）焊条及H10Mn2Mo焊丝焊后的焊缝性能较进口焊材差，抗拉强度和冲击值均较低，特别是埋弧焊焊丝，抗拉强度值富余度很小，而冲击韧性值也较低。因此建议对质量有特殊要求结构或产品的焊接材料特别是埋弧焊焊材建议选用国外焊接材料。

4.4试验采用的各项焊接规范参数恰当，热输入量能够得到有效地控制，焊接接头无过热组织，手工氩弧焊、焊条电弧焊及埋弧焊焊接接头的机械性能均满足技术标准的要求。

参考文献：

[1]V&M公司WB36手册.2002.

[2]陈裕川.焊接工艺评定手册.机械工业出版社.1999.

[3]吴世初.金属的可焊性试验.上海科学技术出版社.1983.

[4]郭元蓉.WB36刚热轧无缝钢管的研制<钢管>2000，29(4).