20鋼與15CrMo的異種鋼焊接工藝分析

楊錦濤　李亞濤　郭文強

摘要：60萬噸/年產甲醇裝置R-52001合成塔靠近塔體第一道焊口出現不同程度的裂紋缺陷，由于塔體管口與升汽管材質不同，對焊接材料選用到焊接過程工藝參數的控制都提出了更高、更嚴的要求，通過選用合適的焊接材料及合理的工藝參數，成功地完成了升氣管缺陷焊口的返修任務。異種鋼的焊接一直是焊接工藝中的一個難點。文章通過對20鋼與15CrMo的異種鋼焊接工藝進行探討和分析，為類似的相關設備的檢修提供借鑒和參考。

關鍵詞：焊接；異種鋼；焊接工藝；焊接熱輸入；焊接材料；工藝參數

中圖分類號：TG406 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）34-0083-02

60萬噸/年產甲醇裝置R-52001合成塔15條升氣管（規格：Φ273×16mm；材質：合成塔塔體管口：15CrMo，升汽管：20鋼；工作壓力：2.3MPa；工作溫度：320℃；工作介質：蒸汽）經過多年的運行，靠近塔體第一道焊口出現不同程度的裂紋缺陷，在2014年大檢修中對合成塔升氣管焊口進行了返修，由于塔體管口與升汽管材質不同，對焊接材料選用到焊接過程工藝參數的控制都提出了更高、更嚴的要求，我們經過對兩種材質化學成分金相組織分析、比對，查閱相關資料，結合以往積累的經驗，選用了合適的焊接材料及合理的工藝參數，成功地完成了升氣管缺陷焊口的返修

任務。

1 20鋼和15CrMo的焊接性分析

20鋼屬于低碳鋼，由于其含碳量低，錳、硅含量也少，所以，通常情況下不會因焊接而產生嚴重硬化組織或淬火組織。20鋼焊后的接頭塑性和沖擊韌度良好，焊接時，一般不需預熱、控制層間溫度和后熱，焊后也不必采用熱處理改善組織，整個焊接過程不必采取特殊的工藝措施，焊接性優良。

15CrMo屬于低合金珠光體耐熱鋼其以Cr-Mo以及Cr-Mo基多元合金鋼為主，具有很好的抗氧化性和熱強性，同時還具有良好的抗硫和氫腐蝕的能力。珠光體耐熱鋼的焊接性與低碳調質鋼相近，焊接中存在的主要問題是冷裂紋、熱影響區的硬化、軟化以及焊后熱處理或高溫長期使用中的消除應力裂紋。如果焊接材料選擇不當，焊縫中還有可能產生熱裂紋。

2 異種鋼焊接工藝分析

2.1 焊接的工藝原則

異種鋼焊縫與母材的化學成分、金相組織、物理性能及力學性能都有較大的差別，因此異種鋼焊接要比同種鋼復雜得多，焊接時必須采取一定的特殊工藝措施才能獲得滿意的焊接接頭。考慮異種鋼焊接工藝時必須根據這些特定的條件來確定焊接方法、焊接材料、工藝參數以及其他措施。

2.2 焊接方法的選擇

由于升氣管工作溫度為320℃，工作壓力高，工作介質是蒸汽，結合化工生產要求，采用鎢極氬弧焊打底，焊條電弧焊蓋面（GTAW/SMAW）。

2.3 焊接材料的選擇

目前對于20鋼與15CrMo異種鋼的焊接，其焊接材料的選擇還沒有一致的看法。根據常規異種鋼焊接選材的原則，我們先后采用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ方法選擇的焊接材料（J427、R307、J507）焊接，在焊縫及焊縫的熱影響區均產生了輻射狀貫穿性裂紋。最后我們采用Ⅳ方法選擇焊接材料（焊絲ERNiCrMo-3，焊條ENiCrMo-3），采用完全不同于異種鋼焊接接頭兩側母材金屬成分的高匹配焊接材料，保證了焊縫金屬的致密性，大大降低了焊接缺陷的發生。

綜上所述，20鋼與15CrMo異種鋼的焊接應采用的焊接材料為：氬弧焊絲ERNiCrMo-3，直徑2.5mm；焊條，焊條ENiCrMo-3，直徑3.2mm。

2.4 焊接工藝

2.4.1 將降液管線彎頭與殼體接管的焊縫處用角磨機將原有焊肉全部清理干凈，并按照圖1中的要求打磨坡口（注意：嚴禁使用碳弧汽刨法割口，防止滲碳污染塔體母材）。經金相分析儀檢測，無原焊縫熔敷金屬方為合格。

2.4.2 焊接前將坡口及坡口兩側10～15㎜管子內外壁的油漆、污垢、鐵銹等清理干凈，露出金屬光澤，塔體管線坡口經滲透檢測達到JB/T-4730.5-2005 Ⅰ級合格。

2.4.3 焊口的局部間隙過大時，應設法修整到規定的尺寸（根部鈍邊1～3mm，間隙1～3mm），嚴禁在間隙內加填塞物。施焊中，應特別注意接頭和收弧的質量，收弧時應將熔池填滿。多層多道焊的接頭應錯開。

2.4.4 焊前預熱，后熱處理，控制層間溫度，盡量采用氬弧焊打底，小電流短弧操作，減少熱輸入量。

焊后對焊縫進行100%滲透檢測，結果一次合格，均為Ⅰ級。結果表明：選擇的焊接材料及所確定的工藝參數能保證焊接接頭的各項性能要求，為20鋼與15CrMo異種鋼焊接提供了經驗。

2.5 注意事項

2.5.1 收弧時速度不宜過快，要及時填滿弧坑根部，待弧坑冷卻再切斷保護氣。

2.5.2 焊工操作時擺動幅度要小，盡量采用直線運動。

2.5.3 由于鎳基合金具有較大的焊接熱裂紋傾向，所以焊接熱輸入的大小對焊接接頭熱裂紋的產生有著重要的影響。為此，應盡可能采用小的熱輸入，縮短焊縫熔融金屬存在的時間，防止熱裂紋的產生，也有利于改善熔合質量。

2.5.4 焊接時采用多道焊，每層焊道的接頭應相互錯開。

3 結語

（1）20鋼與15CrMo異種鋼焊接采用焊絲ERNiCrMo-3和焊條ENiGrMo-3，其焊接熱輸入、層間溫度、坡口角度的選擇是正確的。（2）在實際檢修過程中必須結合母材的焊接特性和工藝運行條件，對每項焊接工藝參數進行慎重考慮，必要時，先進行工藝試驗，選取最優的焊接工藝及焊材。（3）采用上述工藝焊接的異種鋼焊縫，通過探傷和硬度測試等檢驗均獲得理想結果，說明該工藝切實可行，為今后類似異種鋼接頭的焊接提供了借鑒。

參考文獻

[1] 陳裕川.現代焊接生產實用手冊[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2] 張子榮，等.簡明焊接材料選用手冊[M].北京：機械工業出版社，2004.

[3] 陳裕川.焊接工藝評定手冊[M].北京：機械工業出版社，2000.

[4] 中華人民共和國化學工業部.工業金屬管道工程施工及驗收規范[S].北京：中國計劃出版社，1997.

[5] 英若采.熔焊原理及金屬材料焊接[M].北京：機械工業出版社，1995.

作者簡介：楊錦濤（1986-），男，寧夏彭陽人，神華寧煤煤化工安裝檢修公司助理工程師，研究方向：材料化學。endprint

摘要：60萬噸/年產甲醇裝置R-52001合成塔靠近塔體第一道焊口出現不同程度的裂紋缺陷，由于塔體管口與升汽管材質不同，對焊接材料選用到焊接過程工藝參數的控制都提出了更高、更嚴的要求，通過選用合適的焊接材料及合理的工藝參數，成功地完成了升氣管缺陷焊口的返修任務。異種鋼的焊接一直是焊接工藝中的一個難點。文章通過對20鋼與15CrMo的異種鋼焊接工藝進行探討和分析，為類似的相關設備的檢修提供借鑒和參考。

關鍵詞：焊接；異種鋼；焊接工藝；焊接熱輸入；焊接材料；工藝參數

中圖分類號：TG406 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）34-0083-02

60萬噸/年產甲醇裝置R-52001合成塔15條升氣管（規格：Φ273×16mm；材質：合成塔塔體管口：15CrMo，升汽管：20鋼；工作壓力：2.3MPa；工作溫度：320℃；工作介質：蒸汽）經過多年的運行，靠近塔體第一道焊口出現不同程度的裂紋缺陷，在2014年大檢修中對合成塔升氣管焊口進行了返修，由于塔體管口與升汽管材質不同，對焊接材料選用到焊接過程工藝參數的控制都提出了更高、更嚴的要求，我們經過對兩種材質化學成分金相組織分析、比對，查閱相關資料，結合以往積累的經驗，選用了合適的焊接材料及合理的工藝參數，成功地完成了升氣管缺陷焊口的返修

任務。

1 20鋼和15CrMo的焊接性分析

20鋼屬于低碳鋼，由于其含碳量低，錳、硅含量也少，所以，通常情況下不會因焊接而產生嚴重硬化組織或淬火組織。20鋼焊后的接頭塑性和沖擊韌度良好，焊接時，一般不需預熱、控制層間溫度和后熱，焊后也不必采用熱處理改善組織，整個焊接過程不必采取特殊的工藝措施，焊接性優良。

15CrMo屬于低合金珠光體耐熱鋼其以Cr-Mo以及Cr-Mo基多元合金鋼為主，具有很好的抗氧化性和熱強性，同時還具有良好的抗硫和氫腐蝕的能力。珠光體耐熱鋼的焊接性與低碳調質鋼相近，焊接中存在的主要問題是冷裂紋、熱影響區的硬化、軟化以及焊后熱處理或高溫長期使用中的消除應力裂紋。如果焊接材料選擇不當，焊縫中還有可能產生熱裂紋。

2 異種鋼焊接工藝分析

2.1 焊接的工藝原則

異種鋼焊縫與母材的化學成分、金相組織、物理性能及力學性能都有較大的差別，因此異種鋼焊接要比同種鋼復雜得多，焊接時必須采取一定的特殊工藝措施才能獲得滿意的焊接接頭。考慮異種鋼焊接工藝時必須根據這些特定的條件來確定焊接方法、焊接材料、工藝參數以及其他措施。

2.2 焊接方法的選擇

由于升氣管工作溫度為320℃，工作壓力高，工作介質是蒸汽，結合化工生產要求，采用鎢極氬弧焊打底，焊條電弧焊蓋面（GTAW/SMAW）。

2.3 焊接材料的選擇

目前對于20鋼與15CrMo異種鋼的焊接，其焊接材料的選擇還沒有一致的看法。根據常規異種鋼焊接選材的原則，我們先后采用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ方法選擇的焊接材料（J427、R307、J507）焊接，在焊縫及焊縫的熱影響區均產生了輻射狀貫穿性裂紋。最后我們采用Ⅳ方法選擇焊接材料（焊絲ERNiCrMo-3，焊條ENiCrMo-3），采用完全不同于異種鋼焊接接頭兩側母材金屬成分的高匹配焊接材料，保證了焊縫金屬的致密性，大大降低了焊接缺陷的發生。

綜上所述，20鋼與15CrMo異種鋼的焊接應采用的焊接材料為：氬弧焊絲ERNiCrMo-3，直徑2.5mm；焊條，焊條ENiCrMo-3，直徑3.2mm。

2.4 焊接工藝

2.4.1 將降液管線彎頭與殼體接管的焊縫處用角磨機將原有焊肉全部清理干凈，并按照圖1中的要求打磨坡口（注意：嚴禁使用碳弧汽刨法割口，防止滲碳污染塔體母材）。經金相分析儀檢測，無原焊縫熔敷金屬方為合格。

2.4.2 焊接前將坡口及坡口兩側10～15㎜管子內外壁的油漆、污垢、鐵銹等清理干凈，露出金屬光澤，塔體管線坡口經滲透檢測達到JB/T-4730.5-2005 Ⅰ級合格。

2.4.3 焊口的局部間隙過大時，應設法修整到規定的尺寸（根部鈍邊1～3mm，間隙1～3mm），嚴禁在間隙內加填塞物。施焊中，應特別注意接頭和收弧的質量，收弧時應將熔池填滿。多層多道焊的接頭應錯開。

2.4.4 焊前預熱，后熱處理，控制層間溫度，盡量采用氬弧焊打底，小電流短弧操作，減少熱輸入量。

焊后對焊縫進行100%滲透檢測，結果一次合格，均為Ⅰ級。結果表明：選擇的焊接材料及所確定的工藝參數能保證焊接接頭的各項性能要求，為20鋼與15CrMo異種鋼焊接提供了經驗。

2.5 注意事項

2.5.1 收弧時速度不宜過快，要及時填滿弧坑根部，待弧坑冷卻再切斷保護氣。

2.5.2 焊工操作時擺動幅度要小，盡量采用直線運動。

2.5.3 由于鎳基合金具有較大的焊接熱裂紋傾向，所以焊接熱輸入的大小對焊接接頭熱裂紋的產生有著重要的影響。為此，應盡可能采用小的熱輸入，縮短焊縫熔融金屬存在的時間，防止熱裂紋的產生，也有利于改善熔合質量。

2.5.4 焊接時采用多道焊，每層焊道的接頭應相互錯開。

3 結語

（1）20鋼與15CrMo異種鋼焊接采用焊絲ERNiCrMo-3和焊條ENiGrMo-3，其焊接熱輸入、層間溫度、坡口角度的選擇是正確的。（2）在實際檢修過程中必須結合母材的焊接特性和工藝運行條件，對每項焊接工藝參數進行慎重考慮，必要時，先進行工藝試驗，選取最優的焊接工藝及焊材。（3）采用上述工藝焊接的異種鋼焊縫，通過探傷和硬度測試等檢驗均獲得理想結果，說明該工藝切實可行，為今后類似異種鋼接頭的焊接提供了借鑒。

參考文獻

[1] 陳裕川.現代焊接生產實用手冊[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2] 張子榮，等.簡明焊接材料選用手冊[M].北京：機械工業出版社，2004.

[3] 陳裕川.焊接工藝評定手冊[M].北京：機械工業出版社，2000.

[4] 中華人民共和國化學工業部.工業金屬管道工程施工及驗收規范[S].北京：中國計劃出版社，1997.

[5] 英若采.熔焊原理及金屬材料焊接[M].北京：機械工業出版社，1995.

作者簡介：楊錦濤（1986-），男，寧夏彭陽人，神華寧煤煤化工安裝檢修公司助理工程師，研究方向：材料化學。endprint

摘要：60萬噸/年產甲醇裝置R-52001合成塔靠近塔體第一道焊口出現不同程度的裂紋缺陷，由于塔體管口與升汽管材質不同，對焊接材料選用到焊接過程工藝參數的控制都提出了更高、更嚴的要求，通過選用合適的焊接材料及合理的工藝參數，成功地完成了升氣管缺陷焊口的返修任務。異種鋼的焊接一直是焊接工藝中的一個難點。文章通過對20鋼與15CrMo的異種鋼焊接工藝進行探討和分析，為類似的相關設備的檢修提供借鑒和參考。

關鍵詞：焊接；異種鋼；焊接工藝；焊接熱輸入；焊接材料；工藝參數

中圖分類號：TG406 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）34-0083-02

60萬噸/年產甲醇裝置R-52001合成塔15條升氣管（規格：Φ273×16mm；材質：合成塔塔體管口：15CrMo，升汽管：20鋼；工作壓力：2.3MPa；工作溫度：320℃；工作介質：蒸汽）經過多年的運行，靠近塔體第一道焊口出現不同程度的裂紋缺陷，在2014年大檢修中對合成塔升氣管焊口進行了返修，由于塔體管口與升汽管材質不同，對焊接材料選用到焊接過程工藝參數的控制都提出了更高、更嚴的要求，我們經過對兩種材質化學成分金相組織分析、比對，查閱相關資料，結合以往積累的經驗，選用了合適的焊接材料及合理的工藝參數，成功地完成了升氣管缺陷焊口的返修

任務。

1 20鋼和15CrMo的焊接性分析

20鋼屬于低碳鋼，由于其含碳量低，錳、硅含量也少，所以，通常情況下不會因焊接而產生嚴重硬化組織或淬火組織。20鋼焊后的接頭塑性和沖擊韌度良好，焊接時，一般不需預熱、控制層間溫度和后熱，焊后也不必采用熱處理改善組織，整個焊接過程不必采取特殊的工藝措施，焊接性優良。

15CrMo屬于低合金珠光體耐熱鋼其以Cr-Mo以及Cr-Mo基多元合金鋼為主，具有很好的抗氧化性和熱強性，同時還具有良好的抗硫和氫腐蝕的能力。珠光體耐熱鋼的焊接性與低碳調質鋼相近，焊接中存在的主要問題是冷裂紋、熱影響區的硬化、軟化以及焊后熱處理或高溫長期使用中的消除應力裂紋。如果焊接材料選擇不當，焊縫中還有可能產生熱裂紋。

2 異種鋼焊接工藝分析

2.1 焊接的工藝原則

異種鋼焊縫與母材的化學成分、金相組織、物理性能及力學性能都有較大的差別，因此異種鋼焊接要比同種鋼復雜得多，焊接時必須采取一定的特殊工藝措施才能獲得滿意的焊接接頭。考慮異種鋼焊接工藝時必須根據這些特定的條件來確定焊接方法、焊接材料、工藝參數以及其他措施。

2.2 焊接方法的選擇

由于升氣管工作溫度為320℃，工作壓力高，工作介質是蒸汽，結合化工生產要求，采用鎢極氬弧焊打底，焊條電弧焊蓋面（GTAW/SMAW）。

2.3 焊接材料的選擇

目前對于20鋼與15CrMo異種鋼的焊接，其焊接材料的選擇還沒有一致的看法。根據常規異種鋼焊接選材的原則，我們先后采用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ方法選擇的焊接材料（J427、R307、J507）焊接，在焊縫及焊縫的熱影響區均產生了輻射狀貫穿性裂紋。最后我們采用Ⅳ方法選擇焊接材料（焊絲ERNiCrMo-3，焊條ENiCrMo-3），采用完全不同于異種鋼焊接接頭兩側母材金屬成分的高匹配焊接材料，保證了焊縫金屬的致密性，大大降低了焊接缺陷的發生。

綜上所述，20鋼與15CrMo異種鋼的焊接應采用的焊接材料為：氬弧焊絲ERNiCrMo-3，直徑2.5mm；焊條，焊條ENiCrMo-3，直徑3.2mm。

2.4 焊接工藝

2.4.1 將降液管線彎頭與殼體接管的焊縫處用角磨機將原有焊肉全部清理干凈，并按照圖1中的要求打磨坡口（注意：嚴禁使用碳弧汽刨法割口，防止滲碳污染塔體母材）。經金相分析儀檢測，無原焊縫熔敷金屬方為合格。

2.4.2 焊接前將坡口及坡口兩側10～15㎜管子內外壁的油漆、污垢、鐵銹等清理干凈，露出金屬光澤，塔體管線坡口經滲透檢測達到JB/T-4730.5-2005 Ⅰ級合格。

2.4.3 焊口的局部間隙過大時，應設法修整到規定的尺寸（根部鈍邊1～3mm，間隙1～3mm），嚴禁在間隙內加填塞物。施焊中，應特別注意接頭和收弧的質量，收弧時應將熔池填滿。多層多道焊的接頭應錯開。

2.4.4 焊前預熱，后熱處理，控制層間溫度，盡量采用氬弧焊打底，小電流短弧操作，減少熱輸入量。

焊后對焊縫進行100%滲透檢測，結果一次合格，均為Ⅰ級。結果表明：選擇的焊接材料及所確定的工藝參數能保證焊接接頭的各項性能要求，為20鋼與15CrMo異種鋼焊接提供了經驗。

2.5 注意事項

2.5.1 收弧時速度不宜過快，要及時填滿弧坑根部，待弧坑冷卻再切斷保護氣。

2.5.2 焊工操作時擺動幅度要小，盡量采用直線運動。

2.5.3 由于鎳基合金具有較大的焊接熱裂紋傾向，所以焊接熱輸入的大小對焊接接頭熱裂紋的產生有著重要的影響。為此，應盡可能采用小的熱輸入，縮短焊縫熔融金屬存在的時間，防止熱裂紋的產生，也有利于改善熔合質量。

2.5.4 焊接時采用多道焊，每層焊道的接頭應相互錯開。

3 結語

（1）20鋼與15CrMo異種鋼焊接采用焊絲ERNiCrMo-3和焊條ENiGrMo-3，其焊接熱輸入、層間溫度、坡口角度的選擇是正確的。（2）在實際檢修過程中必須結合母材的焊接特性和工藝運行條件，對每項焊接工藝參數進行慎重考慮，必要時，先進行工藝試驗，選取最優的焊接工藝及焊材。（3）采用上述工藝焊接的異種鋼焊縫，通過探傷和硬度測試等檢驗均獲得理想結果，說明該工藝切實可行，為今后類似異種鋼接頭的焊接提供了借鑒。

參考文獻

[1] 陳裕川.現代焊接生產實用手冊[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2] 張子榮，等.簡明焊接材料選用手冊[M].北京：機械工業出版社，2004.

[3] 陳裕川.焊接工藝評定手冊[M].北京：機械工業出版社，2000.

[4] 中華人民共和國化學工業部.工業金屬管道工程施工及驗收規范[S].北京：中國計劃出版社，1997.

[5] 英若采.熔焊原理及金屬材料焊接[M].北京：機械工業出版社，1995.

作者簡介：楊錦濤（1986-），男，寧夏彭陽人，神華寧煤煤化工安裝檢修公司助理工程師，研究方向：材料化學。endprint