16MnR钢的焊接性及厚板焊接质量的控制
作者 :  吴兴欢 蒋晓斌

  16MnR钢是Q345级的低合金高强度结构用钢,是生产中应用最广的钢材料。它只比Q235号钢多加入约1%的Mn,屈服强度却提高了40%~50%,而且冶炼、加工性能和焊接性能都较好,所以普遍用于制造各种焊接结构和压力容器。但是,在厚板焊接时,由于板厚的增加,其焊接性会逐渐变差,尤其是当板厚达到80mm以上时,常会在焊接过程中出现未熔合、未焊透、夹渣、气孔、变形和开裂等缺陷。因此,大厚度板材焊接防止开裂缺陷是要解决的最突出问题。
  一、16MnR钢的焊接性
  16MnR钢具有良好的焊接性,其碳当量为0.32%~0.47%。 一般情况下,16MnR钢的工艺性能与Q235-A、20R等低碳钢相似,采用气割、碳弧气刨、冷压和热矫形等都不困难,可焊性也相当,焊前一般不预热。但16MnR钢的淬硬倾向比Q235号钢稍大些,在大厚度、大刚性结构上进行小参数、小焊道的焊接时有可能出现裂纹,特别是在低温条件下进行焊接。此时,在焊接时可采取适当的预热措施。16MnR钢的预热温度见表1。
  16MnR钢低温焊接时出现裂纹的可能性,除与温度有关之外,还与工件厚度密切相关。
  二、板材厚度对焊接性能的影响
  虽然16MnR钢具有良好的焊接性,但随着板材厚度的增加,其焊接性也逐渐变坏。其原因在于:
  一是由于局部的不均匀加热和冷却,造成较大的焊接残余应力,而大厚度的板材,其刚性较大,无法通过塑性变形来缓解一部分应力,因此,大厚度板材16MnR钢在焊后残余应力的作用下,易产生裂纹。
  二是由于板材厚度较大,在焊接时,局部的加热和冷却易造成温度在厚度方向上分布不均匀,从而导致产生较大的温度应力。而且,若采用较大的热输入,则热影响区的晶粒易长大形成粗晶组织或出现魏氏体组织从而降低韧性;若采用较小的热输入,由于冷却速度较快,热影响区易出现淬硬的马氏体组织,也会降低韧性。
  三、16MnR钢的焊接工艺控制
  为了解决上述问题,在16MnR钢厚板焊接工艺上,应采取一定的措施以保证焊接质量。
  1.材料的选择
  (1)16MnR钢若采用焊条电弧焊时,一般选用E5015或E5016和E4315具有较好抗裂性能的碱性焊条。酸性焊条一般只用于对抗裂性能和塑性、韧性要求较低以及刚性不大的钢结构上。
  (2)16MnR钢若采用埋弧焊和CO2焊等焊接方法,其焊接材料的选择可参见表2。
  2.预热
  焊前预热能降低焊后冷却速度,避免出现淬硬组织,减小焊接应力,是防止裂纹的有效措施,也有助于改善接头组织与性能。对于屈服点在390MPa以下的低合金钢,一般仍可不预热。但当板材较厚时,为减小厚度方向的温度差,减小焊接应力,则应进行100℃~150℃的预热。
  3.后热及焊后热处理
  后热或焊后热处理可避免形成淬硬组织及使H逸出焊缝表面,防止裂纹产生,也可消除焊接残余应力,软化淬硬部位,改善焊缝和热影响区的组织和性能,提高接头的塑性和韧性,稳定工件结构的尺寸。
  当16MnR钢厚度不大时,一般不需进行焊后热处理,只有当板材较厚或强度等级较高及有延迟裂纹倾向时才应进行适当的焊后热处理。焊后热处理主要是消H处理,焊后立即将焊件加热到250℃~350℃,保温2~6小时后空冷;从而加速H的逸出,防止冷裂纹的产生,保证焊接质量。
  4.控制焊接热输入
  总之,通过科学合理的措施,对厚板16MnR钢的焊接工艺质量进行有效控制,有利于避免焊后产生裂纹,是解决厚板16MnR钢焊接裂纹缺陷的有效措施。
  (作者单位:湖南化工职业技术学院)

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