SA204B材料GMAW焊接工艺与应用

摘要： SA204B材料是压力容器用钼合金耐热钢，材料抗拉强度485～620  MPa，屈服强度不小于275  MPa。目前工程技术人员仅对材料的焊条电弧焊（SMAW）和药芯焊丝气体保护焊（FCAW）工艺进行了相关试验与研究，为了尽快推进材料的焊接自动化，对材料实芯焊丝气体保护焊（GMAW）工艺进行了相关试验研究与分析。FCAW焊接时，由于药芯成分含有稳弧剂、脱氧剂、造渣剂，具有良好的焊接工艺性，焊接过程需要逐层清理药皮，无法实现多层多道的连续自动焊。通过对SA204B材料进行GMAW焊接工艺的试验，该工艺可以满足SA204B材料焊接自动化条件。根据零部件结构形式，科学合理的选择施焊方法，拟定施焊工艺，在满足焊接接头质量要求条件下，使焊接设备开动率最大化，焊接成本最小化，最大限度提高焊接自动化应用范围。

关键词： 实芯焊丝气体保护焊；SA204B；焊接质量；焊后热处理；焊接自动化

中图分类号： TG 44，TG 47

GMAW welding process and application of SA204B material

Shen Jianlei

（EBARA Machinery ZiBo Co.，Ltd.， ZiBo 255000，Shandong，China）

Abstract： SA204B is a molybdenum alloy heat-resistant steel used for pressure vessels. The tensile strength of the material is 485～620 MPa， and the yield strength is not less than 275 MPa. At present， engineers and technicians have only conducted relevant experiments and researches on SMAW and FCAW processes of materials. In order to promote the welding automation of materials as soon as possible， relevant experimental researches and analyses have been carried out on GMAW processes of solid cored welding wires. During FCAW welding， because the drug core contains arc stabilizing agent， deoxidizing agent and slag-forming agent， it has good welding technology. In the welding process， the drug coating needs to be cleaned layer by layer， and continuous automatic welding of multi-layer and multi-channel cannot be realized. Through the test of SA204B material GMAW welding process， the process can meet the automatic conditions of SA204B material welding. According to the structure of the parts， the welding method is selected scientifically and reasonably， and the welding process is formulated. Under the condition of meeting the quality requirements of welding joints， the operation rate of welding equipment can be improved to the maximum extent， the welding cost can be reduced to the maximum extent， and the application range of welding automation can be expanded to the maximum extent.

Key words：  solid cored wire gas shielded welding; material SA204B; welding quality; post-welding heat treatment; welding automation

0 前言随着石化行业迅速发展，三元熔盐已首选为石化工艺流程中的换热介质，其介质工作温度在160～450 ℃，为满足该介质相关设备安全运行条件，设计单位选用Q345R低合金压力容器材料或SA204B钼合金材料［1］。目前国内无SA204B材料应用案例解析，对其焊接性、焊接工艺及材料使用经验研究较少。通过对SA204B材料进行焊接参数模拟试验，施焊过程严格控制焊接热循环，该材料可以实现自动化焊接工艺推广与应用，SA204B材料450 ℃高温性能优于Q345R材料。

1 试验材料

SA204B材料与类似的16Mo（中国）不同，其C元素含量较高，Mn和Mo元素含量的上限略高，而Si元素含量的下限略低。就C元素含量而言，它不像耐热钢，随着使用温度、高温性能的提高而依次降低，以防止发生固溶体合金元素贫化、碳化物相聚集过程加速、石墨化等弊端。少量Mo元素含量的增加满足了特定的力學性能要求，Mo元素优先融入固溶体，强化固溶体，钼的熔点高达2 652 ℃，固溶后可提高钢的再结晶温度，有效提高钢的高温强度和抗蠕变能力，钼可以减小钢材的热脆性，还可以提高钢材的耐腐蚀能力。较高的C元素含量会使钢材在高温使用时的组织不稳定，焊接性变差［2］。SA204B材料620 ℃回火调制后金相组织为针状铁素体+粒状贝氏体+珠光体+沿晶界分布的碳化物，金相组织如图1和图2所示。

根据美国金属学会提出的碳当量公式CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu+Si）/15（%），该公式考虑了钢中Si元素的影响，当CE＜0.35可不预热；CE=0.35～0.55之间需要预热；CE＞0.55既要预热又要后热［3］。合金含量取ASME标准规定值的上限，SA204B的CE=0.59＞0.55，需要焊前预热和后热。

根据美国金属学会提出的用于计算预热温度的碳当量经验公式：CE=C+Mn/6+Ni/15+Mo/4+Cr/4+Cu/13（%）。当CE＜0.45时，可不预热；CE=0.45～0.60时，预热100～200 ℃；当CE＞0.60时，预热200～370 ℃。合金含量取ASME标准规定值的上限，SA204B的CE是0.59，预热温度为100～200 ℃。

2 试验方法

SA204B材料具有冷裂纹倾向，实芯焊丝焊缝冶金过程在气体保护中完成，气体流量过大易产生紊流，导致焊缝周围空气卷入焊缝产生气孔；气体流量过小导致气体保护效果不良，产生气孔或氧化。焊缝冶金过程中极易产生合金元素烧损、气孔和飞溅，在CO2电弧中，溶入液态金属中的FeO是引起气孔、飞溅的主要因素，同时FeO残留在焊缝金属中使焊缝金属的O元素含量增加而降低力学性能，如果能使FeO脱氧，并在脱氧的同时对烧掉的合金元素给予补充，则CO2气体的氧化性所带来的问题基本可以解决。根据上述分析，考虑选用纯度99.99%的CO2气体，匹配小电流、小电压、多层多道焊接工艺施焊，焊接热循环控制在150～250 ℃。

参考珠光体耐热钢的焊接工艺，焊接除了冷裂纹倾向，还要注意热影响区的硬化和软化，以及焊后热处理或高温长期使用中的再热裂纹。珠光体耐热钢一般是在热处理状态下焊接，焊后大多数需要进行高温回火处理，高温回火有利于彻底消除内应力，提高金属的塑性和韧性。为了避免焊接热影响区晶粒粗大，要严格控制热输入，避免热输入过大导致热影响区晶粒粗大，影响回火性能；为防止发生固溶体合金元素贫化，提高焊接作业效率，故选择Si和Mn元素略高于母材的实芯焊丝进行试验，焊接过程采取多层多道焊，严格控制焊道层间温度［4］。

SA204B板材供货状态为正火状态，考虑到SA204B材料C元素含量要高于珠光体耐热钢，为了改善焊接热影响区硬化现象，焊后经620 ℃高温回火调质处理，保温时间按每1 mm厚度4 min计算，保温后以3～5 ℃/min的冷却速度冷却至300 ℃，然后空冷，确保充足的相变时间，使二次结晶晶粒细化，促进间隙固溶体的形成，提高材料的塑性和韧性［5］。

2.1 焊材选用

按ASME标准，从钢材市场采购SA204B现货板材，正火状态供货，根据等强度匹配原则，选择京雷品牌GMR-W70A1焊材，材料化学成分和力学性能复验结果见表1和表2。焊缝金属中Si和Mn元素的增加，可以提高焊缝冶金过程的脱氧效果，降低气孔和飞溅的发生概率，同时可以降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织，以改善其力学性能［6］。

2.2 设备调试

焊接设备选用牡丹江欧地希焊接机有限公司生产制造的CPXDS-500Ⅱ型号焊机。焊前对送丝系统进行检查调试，确认送丝滚轮、导电嘴、送丝导管、送丝压紧装置、供气系统符合设备质量要求，校验电流表、电压表、气体流量计合格有效。

SA204B试板焊接前，对焊接设备进行参数试机，使其电流和电压进行微调试焊，电流与送丝速度及熔深成正比，电压与熔化速度及熔宽成正比，试焊参数需要使其送丝速度与熔化速度完全吻合，以确保电弧的稳定性，减少焊接飞溅。通过试焊确认，选用CO2气体纯度99.99%、1.2 mm实芯焊丝、电流158～210 A、电压27.2～28.4 V、气体流量选择15～20 L/min，满足多层多道焊工艺需求，可获得理想的成形焊缝［7］。

2.3 试验过程

焊前准备：焊接试板尺寸选择长400 mm、宽150 mm、厚度40 mm的试块2件，试板加工双面V形坡口，确认坡口及坡口两侧漏出金属光泽，无锈蚀及油污残留异物。焊缝测温仪1个，测温量程选择0～300 ℃；试件加热工装1套， 碳弧气刨设备1套，焊缝清根碳棒1盒，角磨机1个，砂轮片3个，秒表计时器1个，石棉被褥1套，焊缝检验尺1个，焊接记录表1份。

试板组对点焊前预热至200 ℃，对试板坡口尺寸较小的一侧进行点焊固定，其焊缝长度约为10 mm，分别点焊试板的两端和中心位置，点焊后对其试板点焊背面进行焊接，施焊过程中层间温度控制在150～250 ℃，焊接两层后对其焊缝背面进行清根修磨，清根修磨至无未焊透情况，且完全漏出金属光泽时，进行正常施焊作业，整个过程采取多层多道焊，焊接过程中根据试件变形情况及时调整焊道顺序，焊缝横截面示意如图3所示，施焊记录见表3。选用GMR-W70A1京雷焊材，焊材批号为FBR017M，焊后进行200～250 ℃后热，保温2 h，后热时间结束后保温缓冷。缓冷至室温，24 h后经PT和RT无损检测确认合格后转热处理。

为了验证该材料的再热裂倾向，热处理后进行了二次RT确认，确认合格后制备相关理化试样。

2.4 试验结果

焊接接头力学性能试验结果见表4和表5。

焊缝侧弯试验，弯心直径40 mm，室温22 ℃下进行4件弯曲试样，试样弯曲评定结果均合格。

3 结果分析

SA204B材料经GMAW焊接试验后，其室温抗拉强度为475～519  MPa，屈服强度为337～364 MPa，均断于母材，断后伸长率为17.2%～19.9%；450 ℃高温拉伸强度是440～450  MPa，屈服强度是263～287  MPa，其高溫强度优于Q235B材料常温性能。该材料具有良好的焊接工艺性，CO2气体保护焊采用细丝焊接时，焊接电流密度较大，电弧热量集中，熔透能力强，熔敷速度快，且焊后无需进行清渣处理，因此生产效率高，可实现焊道连续自动化焊接。CO2气体及CO2焊丝价格便宜，焊接能耗低，实芯CO2气体保护焊的使用成本很低，只有埋弧焊及手工电弧焊的30%～50%。

焊缝背面拉伸性能低于正面拉伸性能，背面单道焊缝最大热输入28.5 kJ/cm，导致抗拉强度低于标准下限值的2.1%，在母材处断裂。根据ASME.Sex.IX相关标准条款，该工艺评定合格，但实际WPS编制应明确热输入要求，正面焊缝的平均热输入12.9 kJ/cm，獲得较好的焊缝力学性能，背面焊缝平均热输入16.3 kJ/cm，勉强满足焊缝拉伸性能要求，故该材料热输入最大不宜超过16 kJ/cm，以满足最佳焊接力学性能要求。

实芯CO2气体保护焊对焊接人员的专业技能要求较高，焊接参数调节范围较大，焊丝直径1.2 mm时，其焊接电流90～350 A，电弧电压19～35 V。熔滴过渡形式分为短路过渡、大颗粒过渡、细颗粒过渡和喷射过渡，如果选用80%Ar+20%CO2混合气体作为保护气体，易形成射流过渡；伴随着电流的增大，对焊接人员的技能要求逐步提高，焊接过程中需要根据熔池状态及时调整焊枪角度，以避免产生假焊，短路过渡或细颗粒过渡可以实现焊接自动化。

焊接参数的大小决定熔滴过渡形式，同时决定焊缝熔合比，影响焊接热影响区组织和性能。SA204B材料的实际应用要考虑预热缓冷的设备设施，要考虑焊缝位置的布置是否满足施焊条件，因该材料具有冷裂纹倾向，承压受力焊缝要采取完全熔透的焊缝接头形式，焊接过程要充分考虑热循环的控制措施。

4 结论

（1）SA204B材料通过金相分析属于针状铁素体耐热钢，通过评定试验，正面焊缝热输入约为13 kJ/cm，拉伸强度满足ASME材料标准；背面焊缝热输入约为16 kJ/cm， 拉伸强度刚刚满足ASME材料标准下限值。

（2）焊接热输入控制在9～16 kJ/cm，热输入低于9 kJ/cm易产生马氏体组织；热输入高于16 kJ/cm易产生晶粒粗大，形成贝氏体组织，使粗晶区韧性急剧下降，通过焊后热处理无法满足其理化性能，该材料GMAW焊接工艺满足设计需求，满足焊接自动化推进条件。

参考文献

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［5］ 杨海鹏，马雄华，赖辉.金属材料与热处理［M］.北京：化学工业出版社，2021.

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［7］ 李亚江，刘鹏，刘强.气体保护焊工艺及应用［M］.北京：化学工业出版社，2005.

收稿日期： 2023-01-18

沈建磊简介： 国际焊接技士，机械工程师，焊接高级技师；主要研究方向为金属材料焊接工艺的改进及应用；shenjianlei@ebara.cn。