SA299Gr.B材料焊接性研究

桂嘉福

摘要：以148mm厚度规格SA299Cr.B锅炉锅筒用钢板为研究对象，基于其实际材料性能，通过对该材料进行焊接试验和及理论分析，确定了SA299Gr.B的焊接预热温度，为生产的顺利进行打下了基础。

关键词：锅炉锅筒用钢板；SA299Cr.B；焊接性；冷裂纹；斜Y型坡口试验；

1前言

SA299Gr.B为ASTM SA-299/ SA-299M标准中钢种牌号，属于压力容器用碳锰硅钢，用于锅炉锅筒制造。但其厚壁材料在国内制造中应用较少，有必要对该钢的焊接性进行理论和试验测试分析，以便掌握该钢的焊接性特点，为指定合理的焊接工艺提供支持。本研究在不同温度下进行了SA299Gr.B钢板斜Y型坡口试验，以确定了SA299Gr.B钢板的最低预热温度。

2试验材料

试验选用148mm厚SA299Gr.B钢板，供货状态为正火＋回火，其材料的化学成分标准要求值及取样实测值见表1所示。

表1 化学成分标准要求值以及实测值（wt%）

元素	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Ni	V	Cu
ASME SA299Gr.B	≤0.30	0.13~ 0.45	0.84~ 1.62	≤ 0.035	≤ 0.035	-	-	-	-
实物分析	0.25	0.26	1.42	0.014	0.0003	0.190	0.100	0.280	0.020	0.020

选用大西洋的J557R焊条焊接拘束焊缝，焊条的焊缝熔敷化学成分见表2所示。

表2  焊材化学成分实际值（wt%）

化学成分 焊材牌号    规格		C	Si	Mn	S	P	Ni	Mo	Cr
J557R	φ4.0	0.09	0.28	1.40	0.017	0.009	0.76	0.20	0.010

3材料焊接性分析

3.1 碳当量分析

焊接性是指金属材料在采用一定的焊接工艺包括焊接方法、焊接材料、焊接规范及焊接结构形式等条件下，获得优良焊接接头的难易程度。钢材焊接性能的好坏主要取决于它的化学组成，而其中影响最大的是碳元素。当钢中碳含量增加时，钢的强度增大，淬硬倾向增大，塑性下降，焊接性能下降，焊接时易在热影响区出现裂纹。钢中的其他合金元素大部分也不利于焊接，虽其影响程度一般都比碳小，但是从焊接角度来讲，随着合金元素种类和含量提高，材料的淬硬倾向，冷裂倾向也随之增大[1]。因此，通常以碳当量作为一项重要指标评定钢材的焊接性。

美国焊接学会钢结构焊接规范AWS D1.1/D1.1M:2015中附录H（预热温度指导方针）中更新了通过碳当量计算确定材料焊接性的方法，该指导方针中使用钢的碳含量与碳当量对钢的焊接性进行定级。它推荐的碳当量计算公式[2]为：

          

计算获得该钢实测成分碳当量为0.57，根据Figure H.1-Zone Classification of steels（见图1），可以发现该钢的实测成分处于处于Zone III中。根据该焊接规范中的H5.2节的描述，钢处于Zone I中时，则该钢焊接性优良不易发生开裂；钢处于Zone II中时需通过控制焊接热输入或焊前预热处理来提高焊接质量；钢处于Zone III中时，材料焊接性较差，需通过严格控制扩散氢含量、严格控制焊接热输入与焊前预热处理来确保焊接接头的可靠性。该钢的实测成分位于Zone III中，则该钢的焊接按照Zone III区域中钢的焊接要求，需要通过消氢处理、控制焊接热输入及一定的焊前预热来提高焊接接头质量。

图1 钢焊接性的区域分级

（摘自AWS D1.1/D1.1M:2015：Fig H.1）

3.2 焊前预热温度理论计算

在AWS D1.1/D1.1M:2015中附录H（预热温度指导方针）中，叙述了由材料冷裂敏感性、熔敷金属扩散氢与施焊时拘束水平下推导焊前预热温度的过程，具体推导过程如下：

首先，确定该钢的敏感性指数Susceptibility index（），其中为冷裂纹敏感指数公式[3]，H为扩散氢含量等级。

     

计算获得该钢成分实测成分下的冷裂纹敏感指数为0.35。

焊接选用的J557R焊条，焊条为低氢型焊条，烘焙状态焊条熔敷金属中扩散氢的含量小于5 ml/100g，根据规范中H6.2.2所述，将熔敷金属中扩散氢的含量小于5 ml/100g确定为“H1”级。通过A Table. H 1、H2确定实测成分与极限成分的该钢敏感性指数均为“E”级。

另外，根据规定一般角接接头与坡口焊接接头拘束水平为低；结构件施焊时移动自由度下降，拘束水平确定为中；施焊时几乎没有可移动的空间，拘束水平确定为高。由于锅筒焊接时工件尺寸及壁厚较大，则将它施焊时的拘束水平定为“高”。比对Table H. 2续，可知该钢在焊接时标准推荐预热温度最低为160℃。

4斜Y型坡口裂纹试验

4.1试验方法

斜Y型坡口焊接裂纹试验是一种检验低合金钢焊接性试验的一种方法，试验原理及要求按GB 4765，按图2加工试板坡口。

图 2 斜Y型坡口加工图

4.2试验过程

按图4加工共5副40mm厚斜Y坡口试样，编号分别为GE1、GE2、GE3、GE4、GE5。

4.2.1拘束焊缝的焊接

焊接拘束焊缝，焊前预热150-200℃，采用J557R/φ4.0焊条打底并过渡，反面清根后，采用J557R/φ4.0焊妥，焊接填充时正反面交替焊接减少角变形。焊接需保证拘束焊缝坡口根部完全焊透，焊前焊条需进行烘干。焊接参数：焊接方式为SMAW；焊接电流180A；焊接速度14-15cm·min-1；焊接电压25V；焊接热输入≤19.28/kJ·cm-1。

4.2.2试验焊缝的焊接

焊好拘束焊缝后，清除掉在拘束焊缝焊接时所附着的飞溅物，冷却后用钢刷打磨坡口，清理干净试验焊缝，按表3参数进行试验焊缝的焊接。焊接时在坡口外引弧，收弧也在坡口外进行，如图3所示。

图3 试验焊缝焊接示意图及检查取样示意图

表3  试验焊缝焊接规范

试件编号	钢板厚度（mm）	施焊时试件温度（℃）	焊接材料		焊   接   规   范
			焊条牌号	规格（mm）	烘干温度（℃）	烘干时间（h）	电源极性	焊接电流（A）	电弧电压（V）	焊接时间（s）	计算焊接速度（mm/min）
GE1	40	103	J557R	4.0	380	1.5	DC/RP	176-183	25	32	150
GE2	40	127	J557R	4.0	380	1.5	DC/RP	175-182	25	32	150
GE3	40	153	J557R	4.0	380	1.5	DC/RP	174-182	25	31	154
GE4	40	176	J557R	4.0	380	1.5	DC/RP	177-186	25	30	160
GE5	40	201	J557R	4.0	380	1.5	DC/RP	174-183	25	34	141

4.2.3检查

试件焊完48小时后作MT检查和解剖（按图6所示四等分），统计表面裂纹长度和断面裂纹长度。

4.3试验结果

试验检查结果见表4，根据推荐公式计算得到表面裂纹率、截面裂纹率和根部裂纹率。由检查结果可知，在预热温度为103℃，编号GE1试样中两个样出现了根部裂纹，考虑到生产实际中可能存在咬边和拘束度增大等原因，在实际生产中在103℃的预热温度下采用J557R焊接可能会出现冷裂纹，但将试验温度提升至127℃及更高时，结果未发现表面、截面及根部裂纹。

表4  检验结果

编号	板厚	预热温度 （℃）	表面裂纹率	截面裂纹率	根部裂纹率
GE1	40	103	0	8.5%	31.6%
GE2	40	127	0	0	0
GE3	40	153	0	0	0
GE4	40	176	0	0	0
GE5	40	201	0	0	0

5 结论

（1）根据斜Y型坡口焊接裂纹试验结果，可知该批试验用SA299Gr.B钢：在预热127℃以上，采用J557R焊条焊接时，不会产生焊接裂纹。

（2）根据理论公式计算厚壁SA299Gr.B钢需通过消氢处理、控制焊接热输入及一定的焊前预热等措施来预防焊接裂纹。

（3）结合碳当量计算、敏感指数等级及斜Y型坡口焊接裂纹试验结果，厚壁SA299Gr.B 钢的焊接预热温度应≥160℃，且应结合施工环境、结构特征优化最终的预热温度，当壁厚和拘束度较大、施工环境温度较低及湿度较大时，应通过相关试验确定。

参考文献

[1]催忠圻．焊接学与热处理．北京：机械工业出版社，2000.

[2]张文钺．焊接冶金学(基本原理)[M]．北京：机械工业出版社，1996.

[3]张文钺，周振丰．焊接冶金与金属焊接性(第2版) [M]．北京：机械工业出版社，1988.

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