本技術(shù)是在云南保山蘇帕河阿鳩田引水式電站壓力鋼管（該電站鋼管采用15MnVR合金結(jié)構(gòu)鋼）焊接試驗(yàn)基礎(chǔ)上及焊接施工過(guò)程中總結(jié)出來(lái)的，在此強(qiáng)調(diào)了焊接該鋼時(shí)應(yīng)特別注意的事項(xiàng)，對(duì)于其他一般性焊接要求，15MnVR鋼的焊接仍需遵守DL/T5017—93《壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的規(guī)定。
關(guān)鍵詞：鋼管 材料 焊接 技術(shù)
1、材料
1.1、15MnVR鋼（母材）
1.1.1、15MnVR鋼特性
15MnVR鋼屬于正火狀態(tài)下交貨的合金容器鋼。（正火鋼是指在固溶強(qiáng)化的基礎(chǔ)上，通過(guò)沉淀強(qiáng)化和細(xì)化晶粒來(lái)進(jìn)一步提高強(qiáng)度和保證韌性的一類(lèi)低合金高強(qiáng)鋼）
15MnVR鋼化學(xué)成分表：
| 鋼號(hào) | 化 學(xué) 成 分（%） | ||||||||||
| C | Mn | Si | V | Ti | Nb | MO | N | RE加入量 | S | P | |
| 15MnVR | ≤0.18 | 1.2~1.6 | 0.20~0.6 | 0.04~0.12 | | | | | | ≤0.035 | ≤0.035 |
15MnVR鋼機(jī)械性能表：
| 鋼號(hào) | 抗拉強(qiáng)度 σb（MPa） | 屈服點(diǎn) σs（MPa） | 伸長(zhǎng)率 δ5≥（%） | 1800彎曲試驗(yàn) |
| 15MnVR | 530~675 | 390 | 18 | d=3a |
注：d=彎心直徑 a=試樣厚度
這類(lèi)鋼是在16Mn基礎(chǔ)上加入少量V（0.04%—0.12%）來(lái)達(dá)到細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化的。此鋼雖在正火狀態(tài)下使用，但由于碳化釩的分布形式和彌散強(qiáng)化程度與熱軋溫度、冷卻速度有很大的關(guān)系。因此它的性能在熱扎狀態(tài)下會(huì)有較大的波動(dòng)，特別是板厚增加時(shí)更為嚴(yán)重。由于此鋼實(shí)質(zhì)上應(yīng)屬于沉淀強(qiáng)化類(lèi)型的鋼，因此只有通過(guò)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(shí)要求正火狀態(tài)下交貨，并經(jīng)Ⅱ級(jí)無(wú)損檢驗(yàn)合格后交貨。正火的目的是為了使這些合金元素能以細(xì)小的化合物質(zhì)從固溶體中析出，并同時(shí)起細(xì)化晶粒的作用，是在提高強(qiáng)度的同時(shí)，適當(dāng)?shù)馗纳屏虽摬牡乃苄院晚g性，以達(dá)到強(qiáng)的綜合性能。
1.1.2、15MnVR鋼的焊接性分析
通過(guò)15MnVR的鋼特性可以看出此鋼材的焊接較好。
本結(jié)主要通過(guò)工藝因素來(lái)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(jié)構(gòu)因素及使用因素。）15MnVR鋼焊接性通常出現(xiàn)兩方面的問(wèn)題：一是焊接引起的各種冶金缺陷，主要是各類(lèi)裂紋問(wèn)題；二是焊接時(shí)材料性能的變化。
1.1.2.1、預(yù)防焊縫中的熱裂紋
從正火鋼成分來(lái)看，此鋼含碳量較低，含Mn量較高，Mn/S（含S元素多導(dǎo)致熱裂紋）比能達(dá)到要求，具有較好的抗熱裂性能，正常情況下焊縫中不會(huì)出現(xiàn)熱裂紋。但當(dāng)材料成分不合格，或因嚴(yán)重偏析使局部C、S含量偏高時(shí)，容易出現(xiàn)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(wèn)題。在阿鳩田工程中使用焊絲H10Mn2、焊劑HJ431。
1.1.2.2、預(yù)防焊縫中的冷裂紋
冷裂紋是焊接15MnVR鋼時(shí)的一個(gè)主要問(wèn)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(qiáng)度級(jí)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(dāng)量與冷裂紋傾向的關(guān)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(xué)成分，其中以碳的作用最為明顯。因此，可以通過(guò)一些經(jīng)驗(yàn)性的碳當(dāng)量公式來(lái)粗略地估計(jì)和對(duì)此不同鋼材的冷裂紋傾向，為了減少含C量，來(lái)提高15MnVR的焊接性，但為了彌補(bǔ)強(qiáng)度的損失必須添加一些合金元素V。但碳當(dāng)量不能精確地判斷冷裂紋的產(chǎn)生與否，因?yàn)槔淞鸭y的產(chǎn)生除了成分外還和其他因素有關(guān)。為了避免冷裂紋的產(chǎn)生，就需要采取較嚴(yán)格的工藝措施，在阿鳩田工程中嚴(yán)格控制線能量、焊前預(yù)熱和焊后保溫等措施。
1.1.2.3、再熱裂紋
15MnVR鋼，對(duì)再熱裂紋不敏感。
1.1.2.4、層狀撕裂
產(chǎn)生層狀撕裂不受鋼材的種類(lèi)和強(qiáng)度級(jí)別的限制，撕裂與板厚有關(guān)。由于阿鳩田電站采用15MnVR鋼最薄厚度為δ=28mm，容易產(chǎn)生層狀撕裂。從鋼板本身來(lái)說(shuō)，主要取決于冶煉條件，鋼板出廠必須進(jìn)行無(wú)損檢驗(yàn)，達(dá)到Ⅱ級(jí)探傷合格準(zhǔn)予出廠。在阿鳩田工程過(guò)程中一般對(duì)厚度超過(guò)32mm，采取了150ºC預(yù)熱，在整個(gè)施工過(guò)程中未見(jiàn)層狀撕裂現(xiàn)象。
1.1.3、15MnVR鋼驗(yàn)收
15MnVR鋼應(yīng)符合《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》GB/T1591-1994、GB6654—1996的規(guī)定，并具有出廠合格證明書(shū)和質(zhì)量保證書(shū)。15MnVR鋼使用前按GB6654-1996容器板檢查驗(yàn)收。鋼板的運(yùn)輸和存放應(yīng)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(zhì)量的主要因素。焊接材料選擇根據(jù)15MnVR的力學(xué)性能、化學(xué)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(shū)和質(zhì)量保證書(shū)。
1.2.2、焊條、焊絲及焊劑的儲(chǔ)存和保管應(yīng)按JB3223-83《焊條質(zhì)量管理規(guī)程》的規(guī)定執(zhí)行。
1.2.3、焊條和焊劑使用前嚴(yán)格按使用說(shuō)明書(shū)的規(guī)定進(jìn)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(zhuān)人負(fù)責(zé)保管、烘干和發(fā)放，并有詳細(xì)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(nèi)，隨取隨用；每位焊工備有保溫筒，使用過(guò)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(nèi)超過(guò)4h后應(yīng)重新烘干，烘干次數(shù)不宜超過(guò)兩次。
1.2.5、使用的焊劑，按廠方提供的使用要求執(zhí)行。焊劑烘干后，取出的焊劑放在密封的容器中帶到現(xiàn)場(chǎng)使用，烘干后的焊劑在空氣中4h以上重新烘干，烘干次數(shù)不超過(guò)3次。熔化過(guò)的焊劑不再使用，使用過(guò)的焊劑，要用米篩篩選，嚴(yán)防氧化皮等雜物混入，并經(jīng)重新烘干才能再次使用。以防浪費(fèi)，焊劑可反復(fù)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(zhuān)門(mén)的焊接技術(shù)人員，焊接檢查員和無(wú)損檢驗(yàn)員。
2.2、參加15MnVR鋼焊接施工人員和施工管理人員均進(jìn)行技術(shù)交底，以了解15MnVR鋼的焊接特點(diǎn)、控制項(xiàng)目及控制方法。焊工按部標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行培訓(xùn)和考核合格，持操作證書(shū)和等級(jí)證書(shū)的合格焊工上崗。
3、焊接設(shè)備
焊接設(shè)備采用參數(shù)穩(wěn)定、調(diào)節(jié)靈活和安全可靠的直流逆變焊機(jī)。在施焊前，焊機(jī)上的電流電壓表必須檢定合格，埋弧焊機(jī)采用MZ1—1000型，電源電纜必須滿(mǎn)足大電流焊接的要求。
4、下料
15MnVR鋼劃線時(shí)要避免使用樣沖，不可留下有害痕跡，對(duì)岔管下料用樣沖時(shí)，使用尖部較鈍的，并打在管壁內(nèi)側(cè)。15MnVR鋼可用火焰下料，不允許用火焰預(yù)熱和后熱。采用半自動(dòng)切割機(jī)方法下料，以保證切割面質(zhì)量。手工火焰切割只對(duì)岔管管節(jié)難以用半自動(dòng)切割機(jī)實(shí)現(xiàn)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(shí)就一起將坡口用半自動(dòng)切割機(jī)制備，坡口型式、尺寸滿(mǎn)足焊接及施工要求。組對(duì)前，坡口面及坡口每側(cè)10—20mm范圍內(nèi)的毛刺、鐵銹、氧化皮、渣等要清除干凈。
6、預(yù)熱
通過(guò)分析15MnVR鋼的焊接性，此鋼Ceq=0.47%（碳當(dāng)量）超過(guò)0.4%。在阿鳩田工程中15MnVR鋼對(duì)厚度δ〈32mm的鋼板，鋼管焊接不需要預(yù)熱，當(dāng)管板厚度δ≥32mm時(shí)，鋼管焊接需要用履帶式電加熱器進(jìn)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(yàn)及工藝評(píng)定的基礎(chǔ)上編制的。
15MnVR鋼焊接要點(diǎn)：
7.1、由于阿鳩田電站采用15MnVR鋼的鋼板厚度最小為28mm，對(duì)于板厚≥32mm的鋼板焊接采用預(yù)熱措施，預(yù)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(dòng)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(jiàn)附錄1
8、15MnVR鋼的焊接要求
1定位焊：定位焊一般焊在后焊?jìng)?cè)坡口內(nèi)，后焊坡口側(cè)焊前必須清除定位焊道，定位焊長(zhǎng)應(yīng)為80mm，間距350mm。
2施焊前，應(yīng)檢查坡口組對(duì)質(zhì)量，如發(fā)現(xiàn)尺寸超差或坡口及其附近有缺陷，應(yīng)處理后放可施焊。
3焊工要嚴(yán)格按照15MnVR鋼的焊接工藝卡進(jìn)行施焊。
4焊接檢查員在施焊過(guò)程中必須嚴(yán)格監(jiān)測(cè)和控制預(yù)熱溫度、道間溫度及焊接線能量，并對(duì)每條焊縫進(jìn)行實(shí)際施焊規(guī)范參數(shù)記錄。
5嚴(yán)禁在非焊接部位的母材上引弧，試電流及焊接臨時(shí)支架。
6除焊縫外，埋弧焊及手工焊均應(yīng)設(shè)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(dāng)掌握。
7雙面焊的焊縫，一側(cè)焊后，另一側(cè)可采用碳弧氣刨清根。清根時(shí)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(shí)，將每道的溶渣、飛濺仔細(xì)清理，自檢合格后，方可進(jìn)行下一道焊接。焊縫的表面盡可能平滑，咬邊、焊瘤、焊趾過(guò)度角過(guò)大的部位要用細(xì)紗輪仔細(xì)打磨，使表面光滑平整。
9每條焊縫進(jìn)行編號(hào)，并記下施焊焊工姓名或代號(hào)存檔。禁止打焊工鋼號(hào)。工卡具的去除嚴(yán)禁用錘擊法，應(yīng)用碳弧氣刨或氣割在離管壁3mm以上外切除，嚴(yán)禁損傷母材，然后用砂輪打磨平整，并進(jìn)行滲漏探傷和磁粉探傷，由于特殊原因中途停焊時(shí)，應(yīng)立即進(jìn)行后熱保溫，再次焊接時(shí)應(yīng)全部進(jìn)行預(yù)熱后方可按原焊縫要求進(jìn)行焊接。
9、焊件矯形及后熱消除應(yīng)力
9.1、焊件矯形應(yīng)用機(jī)械方法進(jìn)行，不得熱矯形。
9.2、消除焊接應(yīng)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(zhì)量檢驗(yàn)
10.1、焊縫焊后，首先進(jìn)行外觀檢查。外觀檢查合格后方可進(jìn)行內(nèi)部質(zhì)量檢查，內(nèi)部質(zhì)量無(wú)損檢查在焊縫焊完48h后進(jìn)行。
10.2、焊縫外觀質(zhì)量及內(nèi)部質(zhì)量檢查按GB3323—1987《鋼熔化焊接對(duì)接接頭射線照相和質(zhì)量分級(jí)》、GB11345—1989《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級(jí)》、JB3965—1985《鋼制壓力容器磁粉探傷》等規(guī)范要求進(jìn)行。
11、修補(bǔ)
手工焊或埋弧焊如果出現(xiàn)了問(wèn)題就要進(jìn)行修補(bǔ)，修補(bǔ)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(guò)度，然后應(yīng)進(jìn)行滲漏或磁粉探傷。打磨深度超過(guò)板厚10%或大于2mm時(shí)，應(yīng)進(jìn)行焊接修補(bǔ)。
11.2、焊縫內(nèi)部超標(biāo)缺陷，表面裂紋修補(bǔ)前，應(yīng)分析原因，指定切實(shí)可行的修補(bǔ)方案。
11.3、局部焊縫修補(bǔ)時(shí)預(yù)熱應(yīng)在修補(bǔ)處四周15mm范圍內(nèi)進(jìn)行，預(yù)熱溫度控制在120—170ºC。
11.4、焊縫缺陷可用碳弧氣刨，砂輪機(jī)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(jī)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(yīng)圓滑過(guò)渡。
11.5、焊縫缺陷修補(bǔ)施焊與原焊縫相同，焊接修補(bǔ)后要后熱，后熱溫度與原焊縫相同。
11.6、缺陷修補(bǔ)只允許一次，同一部位修補(bǔ)超過(guò)一次應(yīng)經(jīng)焊接技術(shù)負(fù)責(zé)人研究批準(zhǔn)后方可進(jìn)行。
11.7、修補(bǔ)后按原焊縫的質(zhì)量要求，檢查方法對(duì)修補(bǔ)處及其附近進(jìn)行100%檢查。其中內(nèi)部質(zhì)量檢驗(yàn)應(yīng)再修補(bǔ)完成48h后進(jìn)行。
12、結(jié)束語(yǔ)
目前，我國(guó)水電建設(shè)突飛猛進(jìn)，不僅機(jī)組發(fā)電容量增大，鋼管直徑越來(lái)越大，其建設(shè)項(xiàng)目的比重大副度增加，管線壓力越來(lái)越高，管線鋼等級(jí)40公斤級(jí)、60公斤級(jí)、70公斤級(jí)等高強(qiáng)鋼的使用日趨廣泛。我局長(zhǎng)期致力于水電站壓力鋼管制造，進(jìn)行多方面的研究開(kāi)發(fā)工作，為我國(guó)水電事業(yè)的建設(shè)作出了貢獻(xiàn)。
附錄1 焊接工藝卡片1
附錄1 焊接工藝卡片1
| 單位名稱(chēng)：中水十一局機(jī)電安裝分局阿鳩田項(xiàng)目部 焊接工藝評(píng)定報(bào)告編號(hào)：2003-10 焊接方法：手工電弧焊 機(jī)械化程度：手工 | |
| 焊接接頭：  坡口形式：偏心雙V形坡口 襯墊：無(wú) 焊接層次和順序：見(jiàn)上圖 | |
| 母材： 阿鳩田電站板厚δ=28~46mm，15MnVR的鋼管，與板厚δ=28~46mm，15MnVR的鋼管環(huán)縫對(duì)接焊縫；單節(jié)管節(jié)組裝縱縫對(duì)接焊縫。 | |
| 焊接材料： 焊條牌號(hào)：E5015 規(guī)格：ф3.2、ф4.0、ф5.0 | |
| 焊接位置： 對(duì)接焊縫的位置：平位 焊接方向：向下 | 預(yù)熱：（板厚≥32mm，采用預(yù)熱） 預(yù)熱溫度：150℃—200℃ 層間溫度：<200℃ |
焊接工藝卡片1（續(xù)表）
| 焊后熱處理：（板厚≥32mm） 溫度范圍：250℃—300℃ 保溫時(shí)間：1.2h（δ=32）、1.4h（δ=34—36）、1.6h（δ=40）、1.8h（δ=46） | 保持預(yù)熱時(shí)間：0.5h 加熱方式：履帶式電加熱器 | |||||||||||||||||||
| 電特性： 電流種類(lèi)：直流 極性：直流反接 焊接電流范圍：ф3.2 95-105A、ф4.0 155-175A、ф5.0 200-215A 電弧電壓：ф3.2 19.6-22V、ф4.0 22-25V、ф5.0 24-28V （按所焊位置和厚度，分別列出電流和電壓范圍，記入下表） | ||||||||||||||||||||
| 焊道 | 焊接方法 | 填充材料 | 焊接電流 | 電弧電壓（V） | 焊接速度（cm/min） | 線能量（KJ/cm） | ||||||||||||||
| 牌號(hào) | 直徑 | 極性 | 電流（A） | |||||||||||||||||
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| 技術(shù)措施： 手工電弧焊水平向下焊接，焊條擺動(dòng)4-6mm，在焊前，焊道坡口及兩側(cè)30-50mm寬的范圍內(nèi)的鐵銹、油污、水分等雜質(zhì)清理干凈，每道層間焊縫藥皮清理干凈。阿鳩田電站鋼管的鋼板厚度較厚，采用多層多道焊接方法，背面采用碳弧氣刨方法清根。對(duì)板厚δ=46mm的岔管，各管節(jié)焊接采用風(fēng)鏟震動(dòng)錘擊消除焊接應(yīng)力。 | ||||||||||||||||||||
| 編制 | | 日期 | | 審核 | | 日期 | | 批準(zhǔn) | | 日期 | | |||||||||
焊接工藝卡片2
| 單位名稱(chēng)：中水十一局機(jī)電安裝分局阿鳩田項(xiàng)目部 焊接工藝評(píng)定報(bào)告編號(hào)：2003-16 焊接方法：埋弧自動(dòng)焊 機(jī)械化程度：半自動(dòng) | |
| 焊接接頭：  坡口形式：偏心雙V形坡口 襯墊：無(wú) 焊接層次和順序：見(jiàn)上圖 | |
| 母材： 阿鳩田電站板厚δ=28~46mm，15MnVR的鋼管，與板厚δ=28~46mm，15MnVR的鋼管環(huán)縫對(duì)接焊縫；單節(jié)管節(jié)組裝縱縫對(duì)接焊縫。 | |
| 焊接材料： 焊絲牌號(hào)：H10Mn2 規(guī)格：ф4.0、ф5.0 焊劑牌號(hào)：HJ431 | |
| 焊接位置： 對(duì)接焊縫的位置：平位 焊接方向：向下 | 預(yù)熱：（板厚≥32mm，采用預(yù)熱） 預(yù)熱溫度：150℃—200℃ 層間溫度：<200℃ |
焊接工藝卡片2（續(xù)表）
| 焊后熱處理：（板厚≥32mm） 溫度范圍：250℃—300℃ 保溫時(shí)間：1.2h（δ=32）、1.4h（δ=34—36）、1.6h（δ=40）、1.8h（δ=46） | 保持預(yù)熱時(shí)間：0.5h 加熱方式：履帶式電加熱器 | |||||||||||||||||||
| 電特性： 電流種類(lèi)：直流 極性：直流反接 焊接電流范圍：ф4.0 600-650A、ф5.0 700-750A 電弧電壓：ф4.0 32-34V、ф5.0 36-39V （按所焊位置和厚度，分別列出電流和電壓范圍，焊工記入下表） | ||||||||||||||||||||
| 焊道 | 焊接方法 | 填充材料 | 焊接電流 | 電弧電壓（V） | 焊接速度（cm/min） | 線能量（KJ/cm） | ||||||||||||||
| 牌號(hào) | 直徑 | 極性 | 電流（A） | |||||||||||||||||
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| 技術(shù)措施： 埋弧半自動(dòng)弧焊水平向下焊接，在焊前焊道坡口及兩側(cè)30-50mm寬的范圍內(nèi)的鐵銹、油污、水分等雜質(zhì)清理干凈，每道層間焊縫藥皮清理干凈。阿鳩田電站鋼管的鋼板厚度較厚，采用多層多道焊接方法，背面采用碳弧氣刨方法清根。對(duì)板厚δ=46mm的岔管，各管節(jié)焊接采用風(fēng)鏟震動(dòng)錘擊消除焊接應(yīng)力。 | ||||||||||||||||||||
| 編制 | | 日期 | | 審核 | | 日期 | | 批準(zhǔn) | | 日期 | ||||||||||