15CrMo鋼熱成形焊接工藝研究

李艷霞 劉亮

15CrMo鋼已廣泛應(yīng)用于石油化工壓力容器中，厚度在15～150mm之間，覆蓋范圍比較廣泛。為了研究其焊接工藝，我們選擇厚度為90mm的鋼板進行試驗，熱處理狀態(tài)為模擬熱成形+正火（加速冷卻）+回火+退火，為今后15CrMo熱成形的焊接提供了依據(jù)。

1 15CrMo鋼的焊接性

15CrMo鋼系珠光體組織低合金耐熱鋼，在高溫下具有較高的熱強性和抗氧化性，并具有一定的抗氫腐蝕能力。由于鋼中有較高含量的Cr、Mo和其他合金元素，鋼材的淬硬傾向較明顯，焊接性差。

（1）材料 材料的供貨狀態(tài)為正火+回火，材料化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1、表2所示。

（2）冷裂紋 根據(jù)國際焊接學(xué)會（ⅡW）推薦的碳當(dāng)量公式計算CE=0.547%＞0.45%，因此15CrMo焊接接頭淬硬傾向大，可能出現(xiàn)冷裂紋，焊接性差。基于此，15CrMo鋼焊接時，焊接材料的選擇和嚴(yán)格的工藝措施對于防止裂紋產(chǎn)生，保證使用性能至關(guān)重要。

（3）熱裂紋 低合金耐熱鋼焊接接頭的再熱裂紋（消除應(yīng)力裂紋）主要取決于鋼中碳化物形成元素的特性及其含量以及焊接參數(shù)。通常可用PSR 裂紋指數(shù)粗略地表征一種鋼的再熱裂紋敏感性。15CrMo鋼PSR =－0.05，雖然－0.05＜0，但接近于0，故有可能產(chǎn)生再熱裂紋。況且再熱裂紋的形成還與焊接參數(shù)、接頭的拘束應(yīng)力以及熱處理的制度有關(guān)。

表1 15CrMo鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 15CrMo鋼的力學(xué)性能

2 15CrMo鋼焊接缺陷預(yù)防措施

（1）冷裂紋的預(yù)防措施 ①選擇合適的焊接材料。②嚴(yán)格按照要求烘干焊條和焊劑。③清理坡口表面及坡口母材兩側(cè)30mm范圍內(nèi)的油污、氧化皮和鐵銹等雜質(zhì)，并對坡口進行100%磁粉檢測，Ⅰ級合格。④焊前預(yù)熱，嚴(yán)格控制道間溫度。⑤焊后立即后熱處理，降低焊接接頭拘束度，同時加快氫的逸出。

（2）再熱裂紋的預(yù)防措施①嚴(yán)格控制母材和焊材中加劇再熱裂紋的合金成分，應(yīng)在保證鋼材熱強性的前提下，將V、Ti、Nb等合金元素的含量控制在最低的允許范圍內(nèi)。②采用低熱輸入焊接方法和工藝，以縮小焊接接頭過熱區(qū)的寬度，限制晶粒長大。③合理設(shè)計接頭的形式，降低接頭的拘束度。④合理選擇熱處理工藝，盡量縮短在敏感溫度區(qū)間的保溫時間。

3 15CrMo鋼熱成形封頭的焊接工藝

（1）焊接材料 針對15CrMo鋼的焊接性及設(shè)備的工況特點，保證設(shè)備在高溫條件下長期安全地運行。低合金耐熱鋼焊后熱成形的焊接材料應(yīng)選擇合金成分和強度級別較高的材料。為提高焊縫金屬的抗裂性，通常將焊接材料中的碳含量控制在低于母材的碳含量，硫、磷含量控制在較低水平。焊條電弧焊選用牌號為T Phoenix Cr1Mo SC（φ4.0mm）焊條，埋弧焊選用牌號為T Union SA Cr1Mo SC（φ3.0mm）+UV 420 TTR焊絲和焊劑，焊條和焊絲的化學(xué)成分如表3、表4所示。

（2）焊接過程 第一，焊前清理坡口及坡口兩側(cè)30mm范圍內(nèi)的油污、氧化皮、鐵銹等雜質(zhì)，并打磨出金屬光澤。焊前預(yù)熱最小溫度為150℃，最大道間溫度為230℃，焊接參數(shù)如表5所示。

第二，焊后立即進行消氫處理，溫度為200～300℃，時間為2h。

第三，焊后按照J(rèn) B/T4730.3—2005對焊縫進行100%UT檢測，Ⅰ級合格。

（3）焊后熱處理及力學(xué)性能 第一，焊后模擬熱成形+正火（加速冷卻）+回火+退火。模擬熱成形加熱溫度（980±10）℃，保溫135min；正火加熱溫度（920±10）℃，保溫135m i n，水冷；回火加熱溫度（690±10）℃，保溫225 m i n；退火加熱溫度（660±10）℃，保溫540min。熱處理工藝曲線如附圖所示。

熱處理工藝曲線

表3 焊條T Phoenix Cr1Mo SC化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 焊絲T Union SA Cr1Mo SC化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表5 焊接參數(shù)

第二，經(jīng)過一系列熱處理之后的力學(xué)性能如表6所示，滿足15CrMo鋼的材料標(biāo)準(zhǔn)要求，同時符合NB/T47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》。

表6 15CrMo鋼熱處理之后焊縫的力學(xué)性能

4 結(jié)語

通過分析15CrMo鋼的焊接性及焊接工藝評定，確定了合理的焊接參數(shù)和工藝措施，獲得了良好的焊接力學(xué)性能。

此焊接工藝在多個封頭中成功應(yīng)用，各方面性能均滿足相關(guān)要求，為今后15CrMo鋼熱成形封頭的焊接提供了依據(jù)。20140510