CN113305468A - 焊接材料及其应用和焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接技术领域，具体而言，涉及焊接材料及其应用和焊接方法。焊接材料的化学成分质量百分比为C 0.02～0.07％，Mn 0.30～0.90％，Si 0.01～0.05％，P≤0.025％，S≤0.025％，Cr≤0.15％，Ni≤0.15％，Mo≤0.15％，V≤0.03％，Cu≤0.02％，余量为Fe。使用该焊接材料后，在不实施焊后热处理的条件下，仍可有效避免角焊缝区域脆硬组织的产生，降低显微硬度，保证管板角焊缝区域的各项力学及耐蚀性能，提高设备的生产制造效率，降低成本。

Description

焊接材料及其应用和焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体而言，涉及焊接材料及其应用和焊接方法。

背景技术

空冷器是炼油化工装置中的关键设备，一旦发生泄漏将导致非计划停工甚至更严重的事故，造成人员伤害，严重制约着装置的长周期安全稳定运行。

在空冷器的制造加工过程中，管子与管板的接头通常是最后焊接，该处常采用深孔焊，对焊接技术要求较高，且焊后难以进行整体热处理。针对管接头角焊缝的焊后热处理，目前空冷器制造厂多采用电加热带的方式。然而，由于管箱为窄长的方形结构，内部空间较小，采用电加热带的热处理方式难以实现温度的均匀分布，不能达到理想的焊后热处理效果。热处理效果不佳会引起角焊缝及其热影响区部位产生板条状马氏体或魏氏组织等不良的脆硬组织，导致该区域的硬度值偏高，在含有硫化氢的环境中(如加氢装置)存在发生湿硫化氢应力腐蚀开裂的风险。

目前，空冷器材质主要以碳钢为主，如16MnR、Q245R等，管子材质如10#钢、20#钢等。在空冷器制造过程中，管板对接焊缝有成熟的焊接材料和焊接工艺可供选择，焊接完成后可顺利实施焊后热处理，因此管板对接焊缝区域的金相组织和力学性能均可达到相应的要求。但是，针对空冷器的管板与管子接头角焊缝的焊接，尚没有专门焊接材料可供选择，也没有相关的参照标准。制造厂多依据管板对接焊缝的相关经验，采用对接焊缝的焊材和焊接工艺进行管板角焊缝的焊接，由于不能顺利实施焊后热处理，管接头角焊缝往往出现硬度值超标，难以达到相关标准要求。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供焊接材料及其应用和焊接方法。本发明实施例提供一种焊接材料，在不实施焊后热处理的条件下，仍可有效避免角焊缝区域脆硬组织的产生，降低显微硬度，保证管板角焊缝区域的各项力学及耐蚀性能，提高设备的生产制造效率，降低成本。

本发明是这样实现的：

第一方面，本发明提供一种焊接材料，其化学成分质量百分比为C 0.02～0.07％，Mn 0.30～0.90％，Si 0.01～0.05％，P≤0.025％，S≤0.025％，Cr≤0.15％，Ni≤0.15％，Mo≤0.15％，V≤0.03％，Cu≤0.02％，余量为Fe。

第二方面，本发明提供一种前述实施方式所述的焊接材料在管子与管板二者接头的焊接中的应用。

在可选的实施方式中，所述应用为空冷器的管板与管子二者接头的角焊缝的焊接的用途。

第三方面，本发明提供一种焊接方法，包括：在焊接的过程中采用前述实施方式所述的焊接材料。

在可选的实施方式中，包括：将所述焊接材料制备为焊丝，而后在焊接的过程中使用所述焊丝。

在可选的实施方式中，包括在钨极惰性气体保护焊的过程中，采用所述焊丝。

在可选的实施方式中，所述焊丝的直径为0.6-2.0毫米。

在可选的实施方式中，钨极惰性气体保护焊的工艺条件包括：预热温度为5～10℃，焊接电压为18～22V，焊接电流为85～95A，层间温度为60～100℃。

在可选的实施方式中，包括：在焊接前，对管板和管子进行预处理，使得焊接处形成管板环向坡口结构。

在可选的实施方式中，预处理包括：将管板环向打磨30°～60°坡口，换热管伸出管板平面4～6mm。

本发明具有以下有益效果：本发明实施例通过采用特定的元素以及配比，能够在焊接后不进行热处理的条件下，仍可有效避免角焊缝区域脆硬组织的产生，降低显微硬度，保证管板角焊缝区域的各项力学及耐蚀性能，提高设备的生产制造效率，降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的管板环向坡口结构的示意图；

图2为本发明实施例提供的对实施例1的管板角焊缝区域进行拉脱力试验结果照片；

图3为本发明实施例提供的对实施例1的管板角焊缝区域进行金相组织检测的结果图；

图4为本发明实施例提供的对实施例1的管板角焊缝区域进行维氏硬度分析结果图；

图5为本发明实施例提供的对对比例1的管板角焊缝区域进行金相组织检测的结果图；

图6为本发明实施例提供的对对比例2的管板角焊缝区域进行金相组织检测的结果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明实施例提供一种焊接材料，其化学成分质量百分比为C 0.02～0.07％，Mn0.30～0.90％，Si 0.01～0.05％，P≤0.025％，S≤0.025％，Cr≤0.15％，Ni≤0.15％，Mo≤0.15％，V≤0.03％，Cu≤0.02％，余量为Fe。例如，C为0.02％、0.03％、0.04％、0.05％、0.06％以及0.07％等0.02～0.07％之间的任意数值，Mn为0.30％、0.40％、0.50％、0.60％、0.70％、0.8％、0.90％等0.30-0.90％之间的任意数值，Si为0.01％、0.02％、0.03％、0.04％、0.05％、等0.01～0.05％之间的任意数值。

本发明实施例通过对焊接材料中的元素配合以及含量进行探索，使得形成的焊接材料能够达到降低角焊缝自身硬度的目的，继而在后续焊接后，能够在在不实施焊后热处理的条件下，仍可有效避免角焊缝区域脆硬组织的产生，降低显微硬度，减少发生湿硫化氢应力腐蚀开裂的可能性。

进一步地，本发明实施例还提供一种上述焊接材料在管子与管板二者接头的焊接中的应用。具体地，是在空冷器的管板与管子二者接头的角焊缝的焊接中的用途，该焊接材料特定的用于空冷器的管板和管子的接头处的角缝焊接，继而能够在焊接后不用进行热处理，保证空冷器的性能。

进一步地，本发明提供一种焊接方法，包括：在焊接的过程中采用前述实施方式所述的焊接材料。具体地，将所述焊接材料制备为焊丝，而后在焊接的过程中使用所述焊丝。其中，焊丝的直径为0.6-2.0毫米。该焊丝的直径可以根据焊接的速度以及焊接的接头处的焊缝的适当调整，但是本发明实施例采用上述焊丝直径更有利于操作，也更有利于进行焊接，有利于提升焊接后形成空冷器的性能。

需要说明的是，焊丝的制备为本领域现有技术的制备方法，且焊丝的制备并不是本发明的发明点，因此，关于焊丝的制备，本发明实施例不再进行详述。

焊丝的直径可以根据焊接的速度进行适当调整的意思是：在一定的焊丝直径范围内，管板与管子的焊接接头可以获得良好的性能，在该范围内，可以通过焊丝直径和焊接速度的匹配，获得适合于现场实际操作的参数，通常情况下，焊丝直径减小，焊接速度减慢，从而才能保证焊缝的饱满度。

进一步地，本发明实施例采用钨极惰性气体保护焊，其中，钨极惰性气体保护焊的工艺条件包括：预热温度为5～10℃，焊接电压为18～22V，焊接电流为85～95A，层间温度为60～100℃。采用上述工艺条件，能够降低焊接过程的热输入，从而避免因焊接热影响区过热而产生脆硬组织，继而进一步保证在不实施焊后热处理的条件下，降低显微硬度，保证管板角焊缝区域的各项力学及耐蚀性能，提高设备的生产制造效率，降低成本。

进一步地，在焊接前，对管板和管子进行预处理，使得焊接处形成管板环向坡口结构(参见图1)。具体地，预处理包括：将管板环向打磨30°～60°坡口，换热管伸出管板平面4～6mm。采用该结构增加了角焊缝与两侧管板、管子的接触面积，在提高管子与管板的接头处各项力学性能的同时，使得焊缝两侧的热影响区受热均匀、导热良好，避免产生脆硬相等异常组织。具体地，坡口结构与传统的90°角焊缝结构相比，增大了角焊缝与两侧(管板和管子)的接触面积，接触面增大，所形成焊缝与管板、焊缝与管子间的熔合面断裂所需的剪切力增大，因此角焊缝的抗拉脱性能增加。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本发明实施例提供一种焊接材料，其化学成分为：C：0.06％，Mn：0.42％，Si：0.018％，P：0.005％，S：0.006％，Cr：0.25％，Ni：0.01％，Mo：0.005％，Cu：0.15％，其余Fe。

本发明实施例提供一种焊接方法，包括：

将上述焊接材料制备为焊丝，焊丝的直径为0.8毫米。

针对管板材质为16MnR(HIC)，换热管(规格φ19*2mm)材质为10#钢的碳钢空冷器。

焊接前对管板进行45°坡口打磨，换热管伸出管板平面长度为5mm，焊接工艺参数为焊前预热温度5℃，焊接电压20V，焊接电流92A，层间温度80℃。

实验例

对实施例1的焊接完成后对管板角焊缝区域进行拉脱力、金相组织和维氏硬度分析测试。结果以及分析如下：

其中，拉脱力试验结果为66.4kN，断裂部位为管子，如图2所示，满足管接头角焊缝的力学性能要求。

金相组织结果(如图3)显示焊缝为索氏体+铁素体组织，未发现魏氏组织和马氏体等异常组织。

显微硬度的测试结果见图4下表：

可以看出角焊缝维氏硬度值为平均值为194.9HV₁₀，管板热影响区维氏硬度平均值为199.0HV₁₀，管子热影响区硬度值为166.4HV₁₀，均满足行业标准SH/T 3193-2017《石油化工湿硫化氢环境设备设计导则》要求的焊接接头维氏硬度应小于200HV₁₀。

对比例1：本对比例参照实施例1的焊接方法进行焊接，区别仅在于焊接材料的成分中碳含量的不同，具体地，焊接材料的成分百分比为：C：0.12％，Mn：0.48％，Si：0.018％，P：0.006％，S：0.005％，Cr：0.10％，Ni：0.05％，Mo：0.08％，Cu：0.15％，其余Fe。

本对比例与实施例1相比，主要的差别为碳元素含量的差别，通常情况下，碳含量的微量变化对材料的性能影响较大，因此，对比例1中其他元素含量的微量变化较碳含量而言可以忽略，因此可视为碳含量作为单一变量。

对对比例1进行检测，结果为：拉脱力试验结果为70.2kN，断裂部位为管子，满足管接头角焊缝的力学性能；金相组织显示为索氏体+珠光体组织+少量板条状马氏体组织，如图5所示。角焊缝维氏硬度值为平均值为302.4HV₁₀，管板热影响区维氏硬度平均值为208.8HV₁₀，管子热影响区硬度值为168.4HV₁₀。

从结果来看，焊缝组织硬度明显偏大，主要是由于焊材中C含量相对较高，导致焊缝在降温的过程中更容易产生脆硬的马氏体组织(如金相组织中存在的少量板条状马氏体)，从而导致硬度值偏高，发生应力腐蚀开裂的可能性增大。

对比例2：本对比例参照实施例1的焊接方法进行焊接，区别仅在于焊接工艺中层间温度的改变，具体地，焊接层间温度为150℃。

对对比例2进行检测，结果为：拉脱力试验结果为66.1kN，断裂部位为管子，满足管接头角焊缝的力学性能；焊缝金相组织显示为索氏体+珠光体组织+少量魏氏组织，如图6所示。角焊缝维氏硬度值为平均值为295.2HV₁₀，管板热影响区维氏硬度平均值为262.1HV₁₀，管子热影响区硬度值为185.4HV₁₀。

从结果来看，焊缝和管板热影响区硬度明显偏大，主要是焊接层间温度偏高，导致焊缝和管板热影响区在高温区间停留时间较长，从而引起铁素体在晶届呈针状生长插入珠光体组织中，形成典型的脆硬相魏氏组织，从而导致硬度值偏高，发生应力腐蚀开裂的可能性增大。

对比例3：本对比例参照实施例1的焊接方法进行焊接，区别仅在于焊接接头的坡口结构不同，具体地，焊接接头不进行环向坡口打磨，而是管板与管子间呈90°。

对对比例3进行检测，结果为：拉脱力试验结果为34.3kN，断裂部位为管子与管板的焊缝截面，不满足管接头角焊缝的力学性能要求。该结构较环向坡口结构接触面积明显较小，所形成焊缝与管板、焊缝与管子间的熔合面断裂所需的剪切力较小，因此角焊缝的抗拉脱性能不合格。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种焊接材料，其特征在于，其化学成分质量百分比为C 0.02～0.07％，Mn 0.30～0.90％，Si 0.01～0.05％，P≤0.025％，S≤0.025％，Cr≤0.15％，Ni≤0.15％，Mo≤0.15％，V≤0.03％，Cu≤0.02％，余量为Fe。

2.一种权利要求1所述的焊接材料在管子与管板二者接头的焊接中的应用。

3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述应用为空冷器的管板与管子二者接头的角焊缝的焊接的用途。

4.一种焊接方法，其特征在于，包括：在焊接的过程中采用权利要求1所述的焊接材料。

5.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于，包括：将所述焊接材料制备为焊丝，而后在焊接的过程中使用所述焊丝。

6.根据权利要求5所述的焊接方法，其特征在于，包括在钨极惰性气体保护焊的过程中，采用所述焊丝。

7.根据权利要求5或6所述的焊接方法，其特征在于，所述焊丝的直径为0.6-2.0毫米。

8.根据权利要求6所述的焊接方法，其特征在于，钨极惰性气体保护焊的工艺条件包括：预热温度为5～10℃，焊接电压为18～22V，焊接电流为85～95A，层间温度为60～100℃。

9.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于，包括：在焊接前，对管板和管子进行预处理，使得焊接处形成管板环向坡口结构。

10.根据权利要求9所述的焊接方法，其特征在于，预处理包括：将管板环向打磨30°～60°坡口，换热管伸出管板平面4～6mm。

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