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，在石油化工等行業中的應用日趨廣泛。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硬化，冷裂紋及焊后熱處理時產生再熱裂紋。我廠重油催化改造中油氣大管部分選用15CrMoR鋼，規格Φ720×12mm?，F對該鋼種的可焊性、工藝參數及其熱處理進行分析、設定，以為其實際施工做理論支持。

1 可焊性分析

1.1 本次試驗采用15CrMoR（δ=12mm）板材，其化學與機械性能如表1

表1

機械性能：σs=415MPa，σb=550MPa

供貨狀態：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。按目前應用較多的碳當量計算公式可計算出15CrMoR鋼的碳當量。

根據經驗，碳當量在0.4-0.6%之間的鋼材焊接性較差，焊接時須采用預熱及焊后熱處理等工藝措施以防止焊接冷裂紋的產生。

1.3 再熱裂紋敏感性分析

根據再熱裂紋的產生機理學說，對珠光體耐熱鋼15Cr-MoR的再熱裂紋傾向進行計算。

1）晶內沉淀強化作用理論分析

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，使晶內強化。使應力松弛所需的塑性變形就集中于晶界，當晶界的塑性不足時，就會產生再熱裂紋。

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行分析如下：

（當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考慮其有害影響，以防再熱裂紋的出現。

1.4 預熱溫度的確定

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熱，將對其起到好的抑制作用。

按國產低合金鋼的預熱計算公式，可初步確定15CrMoR的焊前預熱溫度。

式中：冷裂紋敏感指數

H:焊縫中的擴散氫含量（mL/100g），取7 mL/100g

h：板厚（mm）

可計算出：T（℃）=210.4℃。

對于Cr-Mo系列合金耐熱鋼，預熱溫度并非越高越好。如果高于馬氏體轉變結束點Mf的溫度，那么當焊件完成最終的焊后熱處理時，將殘留部分未轉變的奧氏體，除非焊件的冷卻過程加以嚴格控制，不然就有可能轉變成馬氏體組織，從而失去了焊后熱處理的作用，所以生產中應選預熱溫度為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熱那樣產生附加的拉伸應力，并比預熱能改善勞動條件，所以在施工中是一項比較有利的工藝措施。具體后熱溫度可經過計算而得，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

15CrMoR鋼板焊接接頭的力學性能的優劣與焊接時工藝措施執行情況有密切的聯系，為了驗證所擬定的工藝參數的合理性、正確性，我們將按以下方案進行焊接工藝試驗。

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

2.2 預熱：預熱溫度150℃，采用遠紅外焊材烘干箱進行整體加熱。

2.3 焊接：焊材選用E5515-B2（R307）焊條，規格Φ3.2；工藝參數取焊接電流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小時內高溫回火。640-680℃×1h

焊后各項檢查結果如下表2所示。

表2 試驗結果

通過試驗，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的工藝規程

結合我廠實際生產特點，以及我廠實際施工中人員、機具的現有能力，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的適應力。根據以上的理論分析和試驗結果，現對中板15CrMoR給出焊接工藝參數和熱處理規范如下。

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

表3 焊后熱處理規范

4 小結

4.1 經試驗證明，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、點固、焊接、開孔、返修）均是在預熱后進行，因此控制各工序及各階段的加熱溫度是保證產品質量的關鍵。

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

4.4 焊后需進行后熱處理，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].機械工業出版社.

［2］周振豐.焊接冶金與金屬焊接性[M].機械工業出版社.

［3］崔忠圻.金屬學與熱處理[M].機械工業出版社.

［4］GB150-2011鋼制壓力容器[S].中國標準出版社.

［5］HG20581-1998鋼制化工容器材料選用規定[S].