论文总字数：16971字

摘 要

Q345R钢是屈服强度为345MPa级的压力容器专用板，它具有良好的综合力学性能和工艺性能，在压力容器领域中有着大量的应用。本文采用MAG(Metal Active Gas Arc Welding)自动焊技术研究了36mm厚的Q345R钢板的横焊工艺，研究了焊接接头的显微形貌、冲击韧性、拉伸强度和弯曲性能。本文的主要研究内容和结论如下：

（1）焊接接头坡口形式采用X型坡口，无垫板。采用实芯焊丝ER50-G，火焰加热最小预热温度80℃，最大道间温度180℃，后热温度为200~250℃，保温0.5小时。焊后热处理温度在600℃，保温1.6小时。电流范围在140A~180A，电弧电压23V~26V，焊接速度为12~26cm/min。喷嘴直径12mm，焊丝送丝速度为480~680cm/min，导电嘴到工件距离为10-25 mm。

（2）拉伸试验中，抗拉强度达到588MPa，试件都在焊缝区断裂。弯曲试验中试样弯曲180°均无缺陷。冲击韧性试验中，试样在-20℃的平均冲击吸收功为180J。各项力学性能均满足标准要求。

关键词：Q345R 球罐 MAG焊 横焊 药芯焊丝

Study on horizontal welding process parameters of Q345R with powder cored wire

ABSTRACT

Q345R steel is a special plate of pressure vessel with yield strength of 345MPa. It has a good comprehensive mechanical properties and process performance, and a large number of applications in the field of pressure vessels. This article studies about horizontal welding process parameters of Q345R with powder cored wire, and analyses the microstructure, impact toughness, tensile strength and bending properties of the welded joint . The main research contents and conclusions of this paper are as follows:

(1) The welding groove form is X groove, with no backing plate, powder cored wire is ER50-G, flame heating minimum preheat temperature is 80℃, the maximum interpass temperature is 180 ℃, the post heat temperature is between 200℃ and 250℃,welding current range is from 140A to 180A, the arc voltage range is from 23V to 26V, welding speed is 12~26cm/min, nozzle diameter is12mm, wire feeding speed is 480~680cm/min, the distance between conductive nozzle and workpiece is 10~25mm.

(2) The tensile strength of specimens was 588MP，and all specimens were broken in the weld zone. In bending test, the specimen is no defects after bending 180 degrees. In impact toughness test ( at -20℃ ), the average impact absorption work of the sample is 180J.

Keywords: Q345R; Sphere Tank; MAG; Horizontal welding; Powder cored wire

目 录

摘 要 1

ABSTRACT 2

第一章 绪 论 1

1.1 课题的研究背景及意义 1

1.2 Q345R的性质 1

1.3 Q345R的焊接性分析 2

1.3.1 冷裂纹 2

1.3.2 热裂纹 3

1.3.3 气孔 3

1.3.4 焊缝夹渣 3

1.3.5 未焊透 3

1.4 药芯焊丝 3

1.5 球罐 4

1.6 MAG焊 4

1.7 本课题的研究内容与方法 5

第二章 焊接工艺 6

2. 1焊接材料 6

2.1.1保护气体 6

2.1.2 焊丝 7

2.2. 坡口的准备 8

2.2.1焊接接头及焊缝 8

2.2.2坡口的形式 8

2.3. 焊接参数选择 8

第三章 焊接接头显微分析及力学性能测试 12

3.1金相 12

3.1.1 取样 12

3.1.2金相组织的显示 14

3.2力学性能测试 17

3.2.1 拉伸试验 17

3.2.2 弯曲性能测试 18

3.2.3 冲击韧性测试 19

第四章 结论 20

致 谢 23

第一章 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

自动焊接技术已经逐渐的应用于社会生活的各个方面。伴随着技术的逐渐成熟，自动焊技术在一些先进国家得到了大量应用。我国大多数的企业依旧采用传统的手工电弧焊工艺对球形储罐进行焊接，这带来一些不容忽视的问题：手工电弧焊的劳动强度大，同时施焊效率也不高，工况条件恶劣，对焊工的经验和手艺有着极高的要求，一旦遇到大型施工项目如大型球罐时需要大批的优秀焊工。为解决这些问题，我国的焊接工作者克服了诸多苦难，对自动焊技术不断摸索和创新，与此同时借鉴国外的成熟经验与时俱进，我国的球罐自动焊技术逐渐发展起来，走向成熟，具有了很强的实用性。

在石油化工行业的球罐、汽油储罐和各种化工容器中压力容器用钢有着大量的运用。优良的强度、韧性、焊接性、耐腐蚀性是压力容器用钢的基本要求^[1]。随着高压、超高压容器接连被投入使用，压力容器面临越来越大大的考验，压力容器的安全规范也必将愈发严格。压力容器钢板是安全因素中的重点，要对其严格要求^[2]。在这里我们将讨论球罐自动焊中Q345R。

1.2 Q345R的性质

在《GB 713-2008锅炉和压力容器用钢板》中，原先的16Mng和16MnR、19Mng三种钢材被一起合并为Q345R钢材。Q345R是锅炉压力容器的常用钢材，它是属于低合金钢的一种。它的抗拉强度在510-640Mpa之间，伸长率大于21%，零度V型冲击功大于34J^[3]。Q345R的力学性能良好，并且具有不错的工艺性能，易于加工。磷、硫含量略低于低合金高强度钢板Q345(16Mn)钢，除抗拉强度、延伸率要求比Q345(16Mn)钢有所提高外，还要求保证冲击韧性。它是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板。Q345R的含碳量（质量分数）小于等于0.20%，含硅量小于等于0.55%，含锰量在1.20%-1.60%，磷、硫含量分别小于等于0.025%、0.015%，全铝量大于等于0.020%。Q345R工艺参考标准GB713-2008^[4]。压力容器用钢板被专门用于制作压力容器， 它被用于用于制作压力容器的关键部位，会承受较大压力，面临考验较大，所以压力容器用钢板的研制要遵循以下原则：

(1) 具有符合标准要求的较高强度和韧性；

(2) 具有良好的内部质量；

(3) 具有良好的焊接性能和加工性能^[5]。

近些年来， 国内一些企业在压力容器用钢领域已达到或超过国外先进水平^[6]。

1.3 Q345R的焊接性分析

Q345R在焊缝热影响区具有不一致的淬硬倾向，与此同时，焊缝和热影响区对冷裂纹都比较敏感。在焊接过程中，会产生各种冷却速度，都可能在热影响区形成马氏体组织。碳和合金元素在钢中的含量越高，热影响区的淬硬倾向就越大，同时金相组织中的马氏体组织的比例就越高。所以以防止接头各区马氏体组织和冷裂纹形成及防止热影响区淬硬变脆是在拟定焊接工艺时的基本出发点。考虑到Q345R含有一定量的合金元素及微合金化元素，不当的焊接方法和焊接参数会导致热影响区脆化、热应变脆化、氢致裂纹、热裂纹、再热裂纹、层状撕裂等焊接缺陷的危险。Q345R的化学成分见表1.2（单位是%）。

表1.1 Q345R的化学成分

在低合金钢中，Q345R的可焊性还是比较好的，由于它所含的合金元素，其淬硬倾向、和冷裂倾向都比低碳钢更大。如果在钢中添加 铌、钒、钛元素，使它们与碳、氮元素形成碳化物、氮化物及碳氮化物， 会明显改善它的焊接性能。因为这样会将再结晶时间延长，在控制轧制之后，让铁素体晶粒得到充分细化，可以提高Q345R的强度和韧性， 降低其脆性转变温度^[7]。为了避免在高输入热量导致热影响区产生晶粒粗化的趋向，可以添加Ti，这样就使得晶粒粗化的温度得到提高。Ti能有效改善Q345R的焊接性能。Ni 对于Q345R也是有益元素，它可以改善钢板的低温韧性，并且降低韧脆转变温度。P、S是有害元素，必须严格控制P、S的含量，尽可能地采用除硫除磷手段，提高钢水的洁净度，避免钢板的力学性能受到影响。Q345R在常温下施焊时，它的的焊接工艺与低碳钢的焊接工艺有些类似。淬硬倾向于焊接电流有关，焊接电流越大，焊接接头冷却速度就会越慢，硬度较低。Q345R有低温脆硬倾向，在低温情况下进行焊接时易产生脆硬倾向，容易导致裂纹。为避免脆硬断裂，应当在低温焊接、厚板焊接时应采取预热的措施。

1.3.1 冷裂纹

焊接冷裂纹的产生与许多因素有关，比如氢含量、组织应力等。Q345R钢的碳当量在0.4％左右。由于较低的碳当量，它的焊接性能优秀热输入量对于冷裂纹倾向的影响不是很大。所以除了一些特殊情况，比如施焊钢板的厚度过大或者在低温环境下施焊之外，通常不用预热和小心的把持热输入量。以下是Q370R球罐焊接冷裂纹的分析，以及应当采取的避免产生冷裂纹的方法：在焊条的选用方面尽可能的选用氢含量比较低的焊条或者焊丝，烘干是要注意按照材料特性按规范进行，50～400℃是保存焊条焊丝的适宜温度，取用及时。二是选用较强规范等，马氏体对于焊接性能有不利影响，要注意控制并尽量减少它的含量，并选用适宜的焊接顺序，这样可以减少焊接变形和焊接应力。焊后消氢热处理同样可以大幅降低焊接接头的氢含量，减小冷裂纹倾向^[8]。

1.3.2 热裂纹

Q345R因为含有较多的锰，使得锰与硫的比值比较高，可以先一步形成硫化锰。由于硫化锰通常以粒状分布在晶粒里，而且其具有一定塑性，因此具有较好的抗热裂纹的能力。Q345R焊接接头通常情况下不太容易产生热裂纹。

1.3.3 气孔

气孔是Q345R焊接时容易产生的缺陷之一。无论是碱性焊条还是酸性焊条在取出使用时一定要按规范进行烘干。碱性焊条必须在350~400℃烘干十五到二十小时，酸性焊条必须在200-250℃烘干一到十五小时。焊前清洁对于气孔有着重要影响，在焊接的过程中应该注意焊接电流要适当，注意选择适当的焊接速度，一旦过快就不足以让熔池中的气泡溢出。CO、N₂及 H₂气孔是最容易产生的三种气孔，其中CO气孔与焊接材料的含碳量有密切联系。为了减少CO气孔可以是在焊丝中添加一些合金元素。流动的空气会使焊接接头产N₂气孔，最好的避免或减少N₂气孔的方法是把焊接区域包围或者设立挡风屏障；焊前清理工作不当有可能导致产生H₂气孔，所以应当按照规范进行焊前清理，不在焊材表面留下水或油，还需要注意保护器的纯度^[9]。

1.3.4 焊缝夹渣

焊接裂纹主要是由以下因素造成的：在焊接接头的坡口处是不干净，尺寸或不适当的：在多层焊，渣不完全清除：冷却速度太快；使用的焊条药皮的成分不对，熔渣难以上浮^[10]。

1.3.5 未焊透

未焊透是以下几点情况造成的：坡口和间隙安排不当；没有经过矫正的磁偏吹；焊条质量不均匀；没有做好焊前清理。采用较大的焊接电流和电弧电压，较小的焊接速度可以避免未焊透^[11]。

1.4 药芯焊丝

气体保护的金属粉芯焊丝电弧焊已经在上个世纪90年代末期开始投入使用，但是却不得已得到推广，就是因为人们还有真正的理解和掌握粉芯焊丝的优越性。近年来，随着对金属粉芯焊丝的研究不断的加大，其真面目也得到越来越的认识，其优越性也得到业内人士的认可与肯定。特别是在低合金高强度钢、镍金合金以及镍洛奥氏体不锈钢的焊接过程中，使用金属粉芯焊丝得到的焊缝更佳优越，其表现也更佳突出。在2012年，美国焊接协会（AWS）制定了A5.36/A5.36M《碳钢和低合金钢药芯焊丝及金属粉芯焊丝标准》确定了金属粉芯焊丝应该有的地位[6]。与此同时，世界著名的焊材制造厂商们近期开发了有30多种新型，新用途的金属粉芯焊条，他们的付出为推广这种新型的焊丝奠定了坚实的基础。

药芯焊丝是一种粉芯焊丝，是由钢带包覆药芯，经过轧制，拔制成产品^[12。药芯焊丝具有许多相较于传统焊丝的优点，焊接工艺性能优良并且焊缝成型美观的，熔敷速度快，对焊接位置有着良好的适应性，飞溅小，更利于操作但是还有许多的缺点，比如熔敷效率低，焊渣多，易生锈，价格贵等，所以在采用药芯焊丝时要仔细对比与其他焊丝的优缺点。

1.5 球罐

球罐是一种球形的，大容量的压力容器。在石油、化工、冶金等领域中，它可以用来作为液化石油气、液化天然气、液氧、液氨、液氮及其他介质的贮存容器，也可作为压缩气体（空气、氧气、氮气、城市煤气）的储罐。当面对立式圆筒储罐的比较时，球形罐最大的优点在于，与之相比，在相同压力和相同体积下的球形储罐，其表面面积最小，所以需要较少的钢面积^13]；在相同直径情况下，球罐壁内应力最小，而且均匀，其承载能力比圆筒形容器大1倍，板厚只需圆筒形容器壁板厚度的一半。由于以上的优点，球型罐非常得节省材料，对控制成本有很大的帮助；此外，球罐占地面积较小，基础工程量小，可节省土地面积。^[14]在选择制造球罐的材料时要注意以下几点要求：强度高，塑韧性好，可焊性及加工工艺性能优良。球罐的焊接、热处理及质量检验技术是保证质量的关键^[15]。

1.6 MAG焊

MAG(Metal Active Gas Arc Welding)焊是熔化极活性气体保护电弧焊的英文简称。它是在氩气中加入少量的氧化性气体（氧气，二氧化碳或其混合气体）混合而成的一种混合气体保护焊^[16]。我国常用的是80%Ar 20%CO₂的混合气体，由于混合气体中氩气占的比例较大，故常称为富氩混合气体保护焊。采用活性混合气体作为保护气体具有下列作用：（1）提高熔滴过渡的稳定性。（2）稳定阴极斑点，提高电弧燃烧的稳定性。（3）改善焊缝熔深形状及外观成形。（4）增大电弧的热功率。（5）控制焊缝的冶金质量，减少焊接缺陷。（6）降低焊接成本^[17]。

MAG焊可采用短路过渡、喷射过渡和脉冲喷射过渡进行焊接，能获得稳定的焊接工艺性能和良好的焊接接头，可用于各种位置的焊接，尤其适用于碳钢、合金钢和不锈钢等黑色金属材料的焊接^[18]。

但是MAG焊还面临一些问题我国目前目前采用的保护药芯焊丝^[25]都是从国外进口的，价格方面不但昂贵还有一个问题是它的供货周期长，如果交工时间紧迫难免会造成一系列问题；另外，由于目前钢轨自动焊接可水平弯曲，不能垂直弯曲，导致焊板和侧板的焊缝横向位置难以焊接和垂直位置的焊接，自动焊接不能有效的的解决飞溅，堵塞喷嘴等难题^[26]。

1.7 本课题的研究内容与方法

本课题拟通过实验来研究Q345R球罐的药芯焊丝的平焊工艺，主要研究内容如下：

（1）初步确定Q345R钢横焊工艺，确立球罐用钢的试样的坡口。

（2）研究焊接电流、电压和焊接速度等工艺参数对焊接质量的影响。

（3）分析Q345R焊缝的质量及相关力学性能。

（4）得出优化的Q345R平焊焊接工艺参数。

实验内容及要求：

（1）查阅资料，对Q345R球罐药芯焊丝平焊实验技术以及工艺等方面进行概述，撰写文献综述。

（2）完成不少于3000汉字的外文文献翻译。

（3）进行对Q345球罐的药芯焊丝横焊的实验。

（4）对试验结果进行分析处理，研究各种影响因素对试验的影响，优化焊接工艺。

焊接工艺

不同的焊接方法有不同的焊接工艺。焊接工艺主要根据被焊工件的材质、牌号、化学成分，焊件结构类型，焊接性能要求来确定。首先要确定焊接方法，如手弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊等等，焊接方法的种类非常多，只能根据具体情况选择。确定焊接方法后，再制定焊接工艺参数，焊接工艺参数的种类各不相同，如手弧焊主要包括：焊条型号（或牌号）、直径、电流、电压、焊接电源种类、极性接法、焊接层数、道数、检验方法等。

焊接产品的技术要求通常会在图样上或技术文件里被提出，总的来说，可以归纳为两大方面的内容：一是焊接接头的质量要求，二是产品结构几何尺寸和形状方面的质量要求。前者与金属材料的焊接性能紧密相关，后者与备料、配装、焊接、热处理等工艺环节都有关系，其中焊接应力与变形是产生影响的主要因素。

首先来分析焊接接头质量，由母材焊接性开始着手。先分析工艺焊接性，从热规范和冶金角度，根据产品的结构特点与材料化学成分来分析应选用何种焊接方法才能获得最好的焊接性能和最小的焊接质量问题。根据选定的的焊接方法的工艺特点来找到合适的焊接参数，或者采取某些特殊的加工方法来解决可能会产生的问题。最后再综合分析所选用的焊接方法焊成的焊接接头的塑性、强度、韧性、耐蚀、耐磨等性能是否符合产品设计的要求。

再来分析产品结构形状和尺寸。在焊接产品图样及技术要求文件中，会规定产品的几何形状和位置尺寸等要求，因此焊接工艺制定时一定要考虑到焊接生产时产生的应力与变形。通常会从两个方面去考虑，第一个是结构因素，第二个是工艺因素。（1）结构因素包括了焊接接头的坡口形状，焊缝在焊件上的分布位置对焊接变形的影响。（2）工艺因素包括焊接方法、焊接参数、装配-焊接顺序、单道焊或多道焊、直通焊或逆向分段焊、刚性固定焊或采用反变形措施等都是影响焊接变形的参数。正确选择和合理运用并控制这些因素，一般都能取得一定效果。

2. 1焊接材料

焊接材料是在焊接时所需要的、被消耗的材料，其中包括保护气体、焊丝、焊条、焊剂、电极等^[19]。

2.1.1保护气体

在熔化极氩弧焊中，不同的保护气体会带来不同的焊接效果。具体的保护气体在选择时也需要有对应的焊接工艺特点。

（1）Ar He

He、Ar都是惰性气体，但是He的传热系数比Ar大，在同等电弧长度下，氦弧比氩弧的弧压高，电弧电压也高了许多。氩弧传热系数较小，燃烧时很稳定，在进行熔化极氩弧焊的时候易产生轴向射流过渡，所以不会产生很多的飞溅。以氩气为主，加入一定量的He气后可获得两者都具有的优点。提高He的比例越多，电弧温度提高越多，焊缝熔深越大，加入He量需要视板厚来定^[20]。

（2） Ar H₂

由于Ar H₂混合气体中的H₂具有还原性，能起到减少焊缝里CO气孔的作用。但是要注意一点问题，H2的体积分数一定要小于6%，不然就会导致产生H₂气孔。

（3）Ar O₂

Ar O₂混合气体分为两种类型。当氧气的体积分数在百分之二十之上的，在焊接低碳钢和低合金结构钢时有不错的焊接效果。而当氧气的体积分数在1%~5%时，适用于焊接不锈钢等高合金钢、级别较高的高强度钢^[21]。

（4） Ar CO₂

Ar CO₂这种气体被大量地运用于采用碳钢及低合金钢的工程。这种气体有Ar气的特点，比如电弧稳定、飞溅少、通常呈现轴向喷射过渡等，同时因为具有氧化性，使得阴极漂移现象和焊缝成形不良等在使用单一Ar气焊接时容易产生的问题得到了非常大的改善^[22]。

在这里我们将采用Ar80% CO₂20%这种比例的气体作为保护气体，这种气体同时适用于喷射过渡电弧和短路过渡及脉冲过渡电弧。使用这种混合气体的成本虽然比纯二氧化碳气体来得高，但是它的工艺效果好，焊缝金属的冲击韧性好，特别是飞溅小，所以应用广泛。

2.1.2 焊丝

半自动或自动MAG焊的焊7丝直径规格通常有1.0mm、1.2mm、1.6mm等规格。焊丝的化学成分应该与母材的化学成分相对应，一般采用等强原则，且要具有优良的焊接

工艺性能和焊缝力学性能[23]。熔化极气体保护电弧焊所用的命名分为牌号和-型号[24]。GB/T 14957-1994、GB/T 14958-1994规定焊丝牌号主要根据焊丝的化成成分命名。GB/T 8110-1995规定，型号根据强度级别和成分类型命名，这就是型号。在这里，我们根据GB/T8110，NB/T47018.3，选择直径1.2mm，型号为ER50-G，牌号为CHW-50C1R。

2.2. 坡口的准备

在压力容器图纸上由主要受压元件的焊接节点图，包括焊接接头形式和焊接坡口等在压力容器图纸上由主要受压元件的焊接节点图，包括焊接接头形式和焊接坡口等。

2.2.1焊接接头及焊缝

考虑到焊件厚度、结构的形状及使用条件不同，不同的焊件其接头形式和坡口形势也不同。焊接接头的坡口一共有对接接头、T形接头、角接头、搭接接头这四种。

焊件焊接后连接在一起的部分叫做焊接接头。焊接接头从空间上来说可以有平焊缝、立焊缝、横焊缝和仰焊缝这四种形式。

2.2.2坡口的形式

焊接接头中为保证焊件厚度方向上的焊透，就经常需要开坡口^[25]。开坡口的方法有机械加工、火焰加工或电弧加工等几种。把坡口制成成一定的几何形状之后，再在坡口的端部留一定钝边，这个目的是为了防止烧穿。不过一定要保证钝边的尺寸能让第一层焊缝焊透。接头根部也要留一定的间隙，目的是保证根部能被焊透。

常见的坡口有I形坡口、V形坡口、X形坡口和U型坡口。坡口选择必须考虑到以下几点原则：（1）焊件必须要焊透（2）坡口形状应当易于加工（3）生产率要高，节省焊接材料（4）变形量要小。

在本课题里，我们选择X形坡口，如图2.1。

图2.1 焊接坡口、焊道焊层示意图

2.3. 焊接参数选择

MAG焊的焊接参数主要有焊接电流、电弧电压、焊接速率、焊丝伸长速度、焊丝倾角、焊丝直径、保护气体种类及其流量等。

首先确定焊接电流和焊丝直径，通常根据焊件的厚度来选择来选择这两个参数。然后根据焊接电流，确定焊机送丝的速度。最后根据焊接电流来配适焊接电压，以达到呈现合适的熔滴过渡形式和稳定焊接过程的目的。

焊接速度和焊缝熔深，焊缝宽度与焊缝的宽度是直接相关的，当其它条件相同时，焊接速度高，焊缝熔深和焊缝宽度减小。同时，单位长度的焊线沉积量减少，导致焊缝余高会降低。焊接速度过高还将带来其他问题，比如咬边。

焊接层数应视焊件的厚度而定。除薄板外，一般都采用多层焊。焊接层数过少，每层焊缝的厚度过大，对焊缝金属的塑性有不利的影响。施工中每层焊缝的厚度不应大于4～5mm。

焊丝伸长量与电阻热有关，长度越长，电阻越大，电阻热越高，使得焊丝熔化速度增加。焊丝伸长量过大，会造成熔敷过多金属，对焊缝成型产生不利影响。而伸长量过小，易对焊接过程带来阻碍，电弧会烧到导电嘴，飞溅也容易造成堵塞。图2.2与图2.3是焊接时实际操作图。

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