15CrMoR珠光體耐熱鋼焊接

蘇志明

（滄州渤海石化工程有限公司 河北 滄州 061000）

0 概述

15CrMoR鋼系珠光體組織耐熱鋼，在高溫下（一般不超過600℃）具有較高的熱強(qiáng)性（δb≥440MPa）和抗氧化性，并具有一定的抗氫腐蝕能力，在石油化工等行業(yè)中的應(yīng)用日趨廣泛。但由于鋼中含有較高含量的Cr、C和其它合金元素，鋼材的淬硬傾向較明顯，焊接性差，其主要問題是熱影響區(qū)硬化，冷裂紋及焊后熱處理時產(chǎn)生再熱裂紋。我廠重油催化改造中油氣大管部分選用15CrMoR鋼，規(guī)格Φ720×12mm。現(xiàn)對該鋼種的可焊性、工藝參數(shù)及其熱處理進(jìn)行分析、設(shè)定，以為其實(shí)際施工做理論支持。

1 可焊性分析

1.1 本次試驗(yàn)采用15CrMoR（δ=12mm）板材，其化學(xué)與機(jī)械性能如表1

表1

機(jī)械性能：σs=415MPa，σb=550MPa

供貨狀態(tài)：正火+回火

1.2 15CrMoR的冷裂傾向分析

15CrMoR是以Cr－Mo為基的低合金耐熱鋼，一般都在熱處理狀態(tài)下焊接，鋼中加入的Cr、Mo等元素一方面增加了鋼中碳化物的形成能力，一方面增加了鋼的淬硬性，造成焊接接頭的冷裂敏感性增大。按目前應(yīng)用較多的碳當(dāng)量計(jì)算公式可計(jì)算出15CrMoR鋼的碳當(dāng)量。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，碳當(dāng)量在0.4-0.6%之間的鋼材焊接性較差，焊接時須采用預(yù)熱及焊后熱處理等工藝措施以防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生。

1.3 再熱裂紋敏感性分析

根據(jù)再熱裂紋的產(chǎn)生機(jī)理學(xué)說，對珠光體耐熱鋼15Cr-MoR的再熱裂紋傾向進(jìn)行計(jì)算。

1）晶內(nèi)沉淀強(qiáng)化作用理論分析

此理論基于Cr、Mo、V、Ti、Sb等元素形成的碳化物、氮化物，以及鎳基合金中的沉淀相（γˊ相、Ni3（Al、Ti）），在一次焊接熱作用下，因受熱而固溶（高于1100℃），在焊后冷卻時卻不能析出這些碳、氮化物及沉淀，使晶內(nèi)強(qiáng)化。使應(yīng)力松弛所需的塑性變形就集中于晶界，當(dāng)晶界的塑性不足時，就會產(chǎn)生再熱裂紋。

2）利用以低合金耐熱鋼1Cr-0.5Mo及0.5Mo-1Cr為研究對象而得的公式進(jìn)行分析如下：

（當(dāng)PSR＞0時易裂）

由以上分析可知，其存在一定的再熱裂紋傾向，所以在選用焊接工藝時應(yīng)考慮其有害影響，以防再熱裂紋的出現(xiàn)。

1.4 預(yù)熱溫度的確定

由于15CrMoR存在一定的冷裂紋和再熱裂紋傾向，所以在工藝上采取一定的預(yù)熱，將對其起到好的抑制作用。

按國產(chǎn)低合金鋼的預(yù)熱計(jì)算公式，可初步確定15CrMoR的焊前預(yù)熱溫度。

式中：冷裂紋敏感指數(shù)

H:焊縫中的擴(kuò)散氫含量（mL/100g），取7 mL/100g

h：板厚（mm）

可計(jì)算出：T（℃）=210.4℃。

對于Cr-Mo系列合金耐熱鋼，預(yù)熱溫度并非越高越好。如果高于馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束點(diǎn)Mf的溫度，那么當(dāng)焊件完成最終的焊后熱處理時，將殘留部分未轉(zhuǎn)變的奧氏體，除非焊件的冷卻過程加以嚴(yán)格控制，不然就有可能轉(zhuǎn)變成馬氏體組織，從而失去了焊后熱處理的作用，所以生產(chǎn)中應(yīng)選預(yù)熱溫度為150-200℃為宜。

1.5 后熱溫度的選擇

后熱作為焊接工藝的一種必要手段，不僅能消氫，減小冷裂傾向，也能韌化HAZ和焊縫。而且后熱不象局部預(yù)熱那樣產(chǎn)生附加的拉伸應(yīng)力，并比預(yù)熱能改善勞動條件，所以在施工中是一項(xiàng)比較有利的工藝措施。具體后熱溫度可經(jīng)過計(jì)算而得，如下所示：

由此可知，所需后熱溫度較低，所以在一般情況下不需后熱即可滿足此條件，因此在工藝上可以取消后熱。

2 15CrMoR的工藝試驗(yàn)

15CrMoR鋼板焊接接頭的力學(xué)性能的優(yōu)劣與焊接時工藝措施執(zhí)行情況有密切的聯(lián)系，為了驗(yàn)證所擬定的工藝參數(shù)的合理性、正確性，我們將按以下方案進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)。

2.1 下料：試件尺寸600×150×12由剪板機(jī)、刨邊機(jī)進(jìn)行機(jī)械加工坡口。坡口尺寸為：坡口角度60°，鈍邊2mm。

2.2 預(yù)熱：預(yù)熱溫度150℃，采用遠(yuǎn)紅外焊材烘干箱進(jìn)行整體加熱。

2.3 焊接：焊材選用E5515-B2（R307）焊條，規(guī)格Φ3.2；工藝參數(shù)取焊接電流90－130A，電弧電壓20－23V，焊接速度13－

15cm/min，直流反接，環(huán)境溫度22℃；層間（包括清根）溫度保持在150-200℃左右，焊后立即覆蓋保溫石棉。

2.4 焊后熱處理：24小時內(nèi)高溫回火。640-680℃×1h

焊后各項(xiàng)檢查結(jié)果如下表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)，可以看出熱處理可以改善焊接接頭的塑性、韌性還是有較大的影響。

3 15CrMoR的工藝規(guī)程

結(jié)合我廠實(shí)際生產(chǎn)特點(diǎn)，以及我廠實(shí)際施工中人員、機(jī)具的現(xiàn)有能力，對于15CrMoR中板的焊接，我們選定Φ3.2的E5515-B2的手工電弧焊有較強(qiáng)的適應(yīng)力。根據(jù)以上的理論分析和試驗(yàn)結(jié)果，現(xiàn)對中板15CrMoR給出焊接工藝參數(shù)和熱處理規(guī)范如下。

焊條直徑Φ3.2，焊接電流90~130A，電弧電壓20~23V,預(yù)熱溫度150~170℃，層間溫度150~250℃。

表3 焊后熱處理規(guī)范

4 小結(jié)

4.1 經(jīng)試驗(yàn)證明，我們所制定的焊接工藝是合理、正確的，完全可以滿足生產(chǎn)需要。

4.2 5CrMoR鋼在制作壓力容器或壓力管道過程中，凡動火工序（切割、下料、點(diǎn)固、焊接、開孔、返修）均是在預(yù)熱后進(jìn)行，因此控制各工序及各階段的加熱溫度是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。

4.3 為了降低制作成本，減少質(zhì)量隱患，應(yīng)盡量減少和避免不必要的“動火”工序，坡口盡量采用機(jī)械加工，禁止在非焊處隨意引弧，同時每條焊縫應(yīng)連續(xù)焊完。

4.4 焊后需進(jìn)行后熱處理，這對改善焊縫組織、性能大有好處。

［1］期重遙.焊接手冊：第2卷 材料的焊接[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

［2］周振豐.焊接冶金與金屬焊接性[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

［3］崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

［4］GB150-2011鋼制壓力容器[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

［5］HG20581-1998鋼制化工容器材料選用規(guī)定[S].