Cr-Mo系珠光體耐熱鋼鋼管JCO焊接工藝實踐

尚才眾，王青峰，王昕軍，賈云剛，吳建國，楊森民，郭 建，鄭麗華

（1.河北海乾威鋼管有限公司，河北滄州061300；2.燕山大學，河北秦皇島066000）

Cr-Mo系珠光體耐熱鋼鋼管JCO焊接工藝實踐

尚才眾1，王青峰2，王昕軍1，賈云剛1，吳建國1，楊森民1，郭 建1，鄭麗華1

（1.河北海乾威鋼管有限公司，河北滄州061300；2.燕山大學，河北秦皇島066000）

分析了Cr-Mo系珠光體耐熱鋼的焊接性能，針對其存在較嚴重的冷裂紋和再熱裂紋傾向的問題，探討了符合Cr-Mo系耐熱鋼鋼管的JCO自動雙面三絲埋弧焊接生產工藝，并分析了ASTM A 387/A 387M—2006a標準中11級第2類（Gr11-Cl2）耐熱鋼鋼管的焊接接頭顯微組織。分析認為：采用H08CrMoA焊絲/HJ350焊劑組合，控制焊接熱輸入，以及焊接預熱溫度150℃，后熱溫度250～300℃、保溫時間30 min，焊后熱處理溫度690～710℃等工藝，可解決焊接時出現冷裂紋、焊接熱影響區和熱處理后產生SR裂紋等問題。

Gr11-Cl2珠光體耐熱鋼；JCO工藝；冷裂紋；SR裂紋；t8/5；預熱；后熱

JCO鋼管生產線采用自動雙面多絲埋弧焊接工藝制造鋼管。多絲埋弧焊接的熔敷效率高、熔深大、焊接質量穩定、能夠實現自動化，滿足了JCO鋼管生產線大壁厚、快節奏、程序化控制的要求。多絲埋弧焊接的高效率主要得益于多“槍”組合形成的大線能量輸出；然而，對于焊接耐熱鋼、低溫鋼以及碳當量較高的鋼種，這種優勢卻轉換為劣勢。大的焊接熱輸入可以降低冷卻速度，大幅度提升相變溫度從800℃到500℃的冷卻時間t8/5，使擴散氫充分逸出；焊縫硬度呈下降趨勢，晶粒變粗大。此外，焊接熱輸入的增大在延長t8/5的同時，也使焊縫和熱影響區的組織粗化、性能下降，導致焊接缺陷頻發。以ASTM A 387/A 387M—2006a《壓力容器用鉻鉬合金鋼板》標準中11級第2類鋼（簡稱Gr11-Cl2）耐熱鋼板為例，通過選擇合理的焊接熱輸入，匹配適宜的焊材以及預熱、后熱和消除應力熱處理等輔助工藝的措施，探討符合Cr-Mo系耐熱鋼鋼管的JCO自動雙面三絲埋弧焊接生產工藝。

Gr11-Cl2耐熱鋼板執行ASTM A 387/A 387M—2006a標準［1］，其交貨狀態為正火+回火，母材顯微組織為鐵素體+珠光體，組織分布較均勻、晶粒度6級。鋼管規格Ф762 mm×23.5 mm×9 000 mm，執行ASTM A 691/A 691M—2009《高溫、高壓用電熔焊碳鋼和合金鋼管道標準規范》［2］。

1 焊接性分析

Cr-Mo系珠光體耐熱鋼是在標準碳鋼基礎上添加適量的Cr和Mo元素，使其具有良好的抗氧化性、熱強性和抗氫腐蝕性能，屬于珠光體耐熱鋼。Cr是鐵素體形成元素，是耐熱鋼中極重要的合金元素；Cr與氧的親和力大，高溫時能形成結構致密的Cr2O3氧化膜，可以提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性。Mo的熔點高，是耐熱鋼的主要強化元素；Mo溶于鐵素體能夠大幅提升鋼的再結晶溫度，使鋼的高溫蠕變極限顯著提高；Mo元素還能使耐熱鋼具有抗回火軟化性和阻止回火脆性。Cr-Mo復合使用能夠達到最佳的強化效果。

1.1 碳當量計算

碳當量是評價材料焊接性的基本參數，它是將鋼的碳含量與添加的合金元素對焊接性影響的大小換算成碳的相當含量之和。Gr11-Cl2耐熱鋼的化學成分和機械性能見表1。從表1看出，Gr11-Cl2耐熱鋼中的w（Cr）為1.5%，w（Mo）為0.5%。合金元素的加入對鋼材的焊接性有著十分重要的影響。Cr能提高鋼的淬透性，但也會引起焊縫和熱影響區出現淬硬組織，甚至產生焊接裂紋。

表1 Gr11-Cl2耐熱鋼的化學成分（質量分數）和機械性能

根據國際焊接學會（IIW）推薦的估算低合金鋼碳當量計算公式［3-5］：Ceq=w（C）+w（Mn）/6+w（Cr+ Mo+V）/5+w（Ni+Cu）/15，可計算出Gr11-Cl2耐熱鋼的碳當量為0.63%。文獻［6］認為，當Ceq∧0.40%時鋼的冷裂紋敏感性明顯增加；文獻［7］認為，當Ceq∧0.50%時鋼易淬硬、焊接性變差，必須預熱才能防止焊接裂紋產生。因此，Gr11-Cl2耐熱鋼的焊接性較差、冷裂紋傾向較大，焊前需預熱。

1.2 焊接冷裂紋和預熱溫度

冷裂紋是耐熱鋼焊接中最常見的缺陷之一，引入焊接冷裂紋敏感系數Pw，以探討Gr11-Cl2耐熱鋼的冷裂紋產生傾向［6］：

式中Pcm——裂紋敏感系數，%；

［H］——焊縫金屬擴散氫，取3 mL/100 g；

R——接縫拉伸拘束度，N/（mm·mm）。

一般鋼管類長焊縫取R=400δ，δ是板厚；因此可計算出Gr11-Cl2耐熱鋼的Pcm為0.294%，Pw為0.367%。

焊接預熱溫度T的計算公式為［6］：

將Pw值代入公式（3）可得Gr11-Cl2鋼的焊接預熱溫度T為136.5℃。因此，在生產Gr11-Cl2珠光體耐熱鋼鋼管時，最低預熱溫度取140℃，實際采用150℃。

Gr11-Cl2耐熱鋼的冷裂紋敏感系數為0.367%，最低預熱溫度為140℃；焊接接頭有產生冷裂紋的傾向，驗證了碳當量計算的結論。預熱溫度計算已經考慮到鋼板厚度或拘束度，以及熔敷金屬中氫含量，其可靠性在焊接實踐中已經得到了檢驗。預熱的作用是延長t8/5來改善組織、降低硬度，同時可以延長焊接冷卻時相變溫度從200℃到100℃的冷卻時間，有利于氫的擴散逸出。

1.3 焊接熱裂紋

英國科學家WinKinson提出了熱裂紋敏感指數HCS的計算公式：

由公式（4）和表1可以計算出Gr11-Cl2耐熱鋼的HCS約為1.3，小于3.6，可見Gr11-Cl2耐熱鋼焊接接頭不會產生熱裂紋［8］。

1.4 后熱

后熱是焊接完成后立即對工件進行加熱或保溫的工藝［9］，不屬于熱處理。對于焊接性差的低合金鋼或高拘束度接頭，焊前預熱還不足以防止冷裂紋，可采用后熱的方法使擴散氫充分逸出，降低淬硬性，改善組織狀態，防止產生延遲裂紋。

焊接Gr11-Cl2類高強鋼時，后熱對于焊縫消氫、預防馬氏體生成、釋放焊接應力具有重要作用。文獻［8］指出，后熱應將焊縫及其兩側加熱至250～350℃，保溫2 h。但在實際生產中，采用后熱溫度250～300℃、保溫時間30 min的后熱處理工藝即可達到效果。

1.5 焊后熱處理與SR裂紋

再熱裂紋是焊后焊件在一定的溫度范圍內再次加熱（消除應力熱處理或其他加熱過程）而產生的裂紋，亦稱SR裂紋［9］。圖1所示為再熱裂紋敏感性與Cr、Mo含量的關系。

SR裂紋指數ΔG的計算公式［8］為：

ΔG=w（Cr）+3.3w（Mo）+8.1w（V）-2（5）

圖1 再熱裂紋敏感性與Cr、Mo含量的關系

由公式（5）可計算出Gr11-Cl2耐熱鋼的ΔG約為1.21。文獻［8］指出，ΔG∧0焊接接頭具有再熱裂紋傾向，其再熱裂紋敏感溫度為550～650℃。ASTM A 691/A 691M—1998標準要求該批鋼管進行消除應力的熱處理（溫度590～745℃）。根據SR裂紋產生機理，延遲裂紋發生在一定溫度區間，高于其上限或者低于其下限都不會產生冷裂紋；因此，焊后熱處理溫度控制在650～745℃。

Gr11-Cl2鋼具有再熱裂紋傾向，焊接時需要采取措施預防SR裂紋，主要包括控制焊材的化學成分和控制焊接熱輸入［8］。

2 焊材選擇

應保證耐熱鋼焊接接頭在高溫、高壓和各種腐蝕介質條件下長期安全運行，焊縫金屬的合金成分及其使用溫度下的強度性能應與母材指標一致［10］。Gr11-Cl2耐熱鋼中的合金元素含量較多，焊接時碳與合金元素易形成淬硬組織，導致抗裂性能變差。選擇焊材時應充分考慮焊接性，嚴格控制S、P等雜質的含量；碳含量應比母材低，使得焊縫中碳的質量分數低于母材［11］。Cr、Mo耐熱鋼焊縫金屬最佳w（C）應控制在0.08%～0.12%，此時焊縫金屬具有較高的沖擊韌性和與母材相當的蠕變強度［12］。通過選擇合理的焊接材料來控制焊縫金屬中的C、S、P含量，對防止產生SR裂紋有利。

根據Gr11-Cl2鋼焊接性要求，從適用性和成本考慮，選擇3組焊絲、焊劑組合，備選焊材組合熔敷金屬的化學成分和力學性能見表2。經試驗，最終確定使用H08CrMoA/HJ350組合（添加1/3或1/4的燒結SJ101焊劑，以增加流動性和透氣性），從投入生產的情況來看，該組合效果較好。

3 焊接熱輸入、t8/5、顯微組織

耐熱鋼焊接熱輸入量的確定以抗裂性和對熱影響區韌性要求為依據。采用較大的焊接熱輸入有以下作用：一是降低冷卻速度，特別是能夠延長t8/5，避免馬氏體轉變，利于氫的逸出，降低冷裂紋傾向；二是延長高溫滯留時間，使得過熱區擴大，晶粒嚴重長大，接頭脆化，抗裂性能降低，焊后熱處理時產生再熱裂紋傾向增大［8］。因此，焊接Gr11-Cl2耐熱鋼時要求焊接熱輸入適中，在保證焊縫金屬韌性的前提下，可以加大線能量，延長t8/5。

3.1 焊接熱輸入與t8/5

在t8/5區間內組織轉變激烈，對熱影響區組織、性能和抗裂性起決定作用［13］。t8/5對于研究低合金鋼特別是冷裂傾向大的鋼種焊接十分重要，焊接線能量應該根據鋼材的焊接CCT連續冷卻轉變曲線［14］來確定t8/5的臨界值，再通過公式（6）［13］來確定最適宜的焊接參數，特別是防止冷裂所要求的預熱溫度和熱輸入值［15］。

式中λ——導熱率，J/（s·cm·℃），這里取0.3；

c′——鋼的體積比熱容，J/（cm3·℃），這里取0.67；

表2 備選焊材組合熔敷金屬的化學成分（質量分數）和力學性能

η——焊接熱效率，埋弧焊取0.95；

E——焊接熱輸入，kJ/cm；

T——預熱溫度，℃，這里取140。

為獲得符合設計要求的Gr11-Cl2耐熱鋼焊接接頭，在保證焊縫金屬韌性的前提下，加大線能量，延長t8/5進行了一組耐熱鋼焊接對比試驗，以選擇合理的焊接熱輸入值。

首先取得了普通材質的同規格鋼管焊接熱輸入（埋弧焊內焊接37.51 kJ/cm，外焊接48.17 kJ/cm），為了簡便，以外焊接48.17 kJ/cm作為參照，熱輸入上下浮動10%～15%，在Gr11-Cl2鋼進行焊接對比試驗。對比檢測項目6個：熱輸入E、t8/5、硬度HV、焊接裂紋、晶粒度和SR裂紋。

計算t8/5時，首先還需比較臨界板厚δcr與實際板厚的大小，若實際板厚小，則可以用公式（6）計算t8/5。當焊接熱輸入為48.17 kJ/cm時，臨界板厚δcr的計算公式為［13］：

在公式（7）中，假設焊接熱效率η為1，則由公式（7）可計算得出：δcr=66.6 mm。

實際板厚δ為23.5 mm，小于δcr，屬于二維熱傳導，由公式（6）計算t8/5為7.60 s。

按照既定的焊接工藝在車間JCO生產線上進行5組試驗，每10支鋼管為1組，每組1支加長管（安排在第7支焊接）。檢測項目中維氏硬度和晶粒度取自加長管，焊接裂紋和SR裂紋是每組鋼管缺陷個數的總和。熱輸入遞減的第1組、第2組無損檢測方面沒有發現未熔合現象。試驗時為了便于問題分析，各試驗組內焊接熱輸入值保持35 kJ/cm不變，生產中內焊接熱輸入值設定為30～35 kJ/cm。Gr11-Cl2耐熱鋼焊接對比試驗結果見表3。

表3 Gr11-Cl2耐熱鋼焊接對比試驗數據

從表3可以看出：第4組的熱輸入是第1組的1.35倍，而t8/5則是第1組的1.83倍；提高熱輸入，t8/5可以得到大幅增加，焊縫硬度呈下降趨勢，第4組的晶粒度增大至4.5級；第3～4組的缺陷最多、效果最差，甚至出現SR熱裂紋。增大熱輸入雖然延長了t8/5，但過熱使得組織粗化、性能下降，導致產生更多焊接缺陷。由此可見，增大熱輸入可在一定程度上防止冷裂紋的產生，但過大的熱輸入將導致更多的焊接缺陷產生。

3.2 焊接熱輸入與顯微組織

焊接熱輸入為43.35 kJ/cm時，Gr11-Cl2耐熱鋼焊接接頭顯微組織如圖2（a）～（e）所示。從圖2（a）～（e）可以看出：焊縫中心組織為柱狀鐵素體+索氏體；受焊接高溫的影響，過熱區組織為晶粒粗大的鐵素體+索氏體+貝氏體；在焊接正火的作用下，重結晶區的溫度超過奧氏體轉變溫度，加之有足夠的保溫時間，其組織轉變為細晶粒均勻的鐵素體+珠光體；圖2（e）所示為熔合線兩側的組織形態，左上側為焊縫組織，右下側是過熱區組織；圖2（f）所示為焊接熱輸入48.17 kJ/cm時，采用三絲雙面埋弧焊，普通材質焊管的內、外焊接熔深形貌。

圖2 Gr11-Cl2耐熱鋼焊接接頭顯微組織

4 結論

生產Cr-Mo系耐熱鋼鋼管的關鍵技術是解決焊接時出現的冷裂紋、焊接熱影響區硬化和熱處理后產生SR裂紋等問題。

（1）Gr11-Cl2鋼的碳當量達到0.63%，其可焊性較差，冷裂紋性敏感，無熱裂紋傾向，有SR裂紋傾向（SR裂紋敏感溫度為550～650℃）。采取焊接預熱和焊后后熱措施能有效防止產生冷裂紋；焊后熱處理溫度設定在690～710℃為宜，以避開SR裂紋敏感溫度。

（2）焊接Gr11-Cl2鋼時，通過增大熱輸入來降低冷卻速度，在一定程度上可防止冷裂紋的產生，但過大的熱輸入反而影響焊接質量。

（3）利用對t8/5冷卻敏感時間的計算，通過焊接試驗可以獲得比較精準的焊接熱輸入，對防止Cr-Mo系珠光體耐熱鋼焊接產生冷裂紋具有較強的實用性。

［1］ASTM A 387/A 387M—2006a壓力容器用鉻鉬合金鋼板［S］.2006.

［2］ASTM A 691/A 691M—2009高溫、高壓用電熔焊碳鋼和合金鋼管道規范［S］.2009.

［3］尚才眾，董宏斌，賈云剛，等.09MnNiDR低溫鋼管雙面雙層三絲自動埋弧焊接研究［J］.鋼管，2014，43（4）：23-29.

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［5］尚才眾，鄭麗華，賈云剛，等.執行俄羅斯標準的K60管線管JCO焊接工藝實踐［J］.鋼管，2015，44（4）：44-48.

［6］中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊：材料的焊接［M］.北京：機械工業出版社，2007：21，157-159，227.

［7］李亞江，王娟.焊接原理及其應用［M］.北京：化學工業出版社，2009：88，120.

［8］于啟湛，丁成鋼，史元春.耐熱金屬的焊接［M］.北京：機械工業出版社，2009：64，67，104-105.

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［14］哈爾濱焊接研究所.國產低合金鋼焊接CCT圖冊［M］.北京：機械工業出版社，1990.

［15］陳裕川.低合金結構鋼焊接技術［M］.北京：機械工業出版社，2008：61.

Practice of JCO Welding Process for Cr-Mo Series Heat-resistant Pearlite Steel Pipe

SHANG Caizhong1，WANG Qingfeng2，WANG Xinjun1，JIA Yungang1，WU Jianguo1，YANG Senmin1，GUO Jian1，ZHENG Lihua1
（1.Hebei Haiqianwei Steel Pipe Co.，Ltd.，Cangzhou 061300，China；2.Yanshan University，Qinhuangdao 066000，China）

Analyzed is the welding performance of the Cr-Mo series heat-resistant pearlite steel.Addressing the problem of the said steel，i.e.a serous trend to clod crack and reheat crack，the automatic JCO 2-side，3-wire SAW manufacturing process that suits the Cr-Mo series heat-resistant steel pipe is discussed，and the microstructure of the welding joint of the ASTM A 387/A 387M—2006a Class 2 Grade 11（Gr11-Cl2）heat-resistant pipe is analyzed.The analysis result leads to the conclusion that the above mentioned cold crack as developed during welding operation，and the SR cracks as occurred in the welding HAZ and after heat treatment can be prevented by means of techniques namely，using the welding agent as combining the H08CrMoA weld wire and HJ350 flux，properly controlling welding heat input，and keeping the pre-heating temperature for welding as 150℃，the post-heating temperature as 250～300℃，the holding time as 30 minutes，and the post-welding heat treatment temperature as 690～710℃，etc.

Cr-Mo series heat-resistant pearlite steel；JCO process；cold crack；SR crack；t8/5；pre-heating；post-heating

TG335.75

B

1001-2311（2016）04-0018-05

2016-03-24；修定日期：2016-04-01）

尚才眾（1961-），男，高級工程師，總工程師，主要從事鋼管設備設計制造和工藝管理工作，近年專注JCO鋼管成型和焊接工藝研究。