2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊接規(guī)范對(duì)接頭力學(xué)性能的影響

李劍冰， 李 樸， 畢曉敏， 李 麗

（1.蘭州蘭石重工有限公司， 甘肅 蘭州 730314； 2.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州730050）

近年來，隨著加工原油日趨重質(zhì)或超重質(zhì)化，在生產(chǎn)工藝上出現(xiàn)了重質(zhì)油的裂化和煤液化等新工藝，常規(guī)Cr-Mo鋼高溫強(qiáng)度、抗氫侵蝕等能力不能滿足現(xiàn)代加氫技術(shù)的發(fā)展。2.25Cr-1Mo-0.25V[1]通過微合金化通提高了鋼的淬透性和鋼的強(qiáng)度等級(jí)；并具有較高的抗高溫蠕變性能和抗回火脆化能力，更好的抗氫侵蝕、氫脆和氫致裂紋的能力。

最近，蘭州蘭石重工有限公司2.25Cr-1Mo-0.25V鋼產(chǎn)品較多，主體承壓焊縫均采用焊條電弧焊、埋弧焊兩種焊接方法，技術(shù)條件要求焊接接頭需進(jìn)行-30℃低溫沖擊，焊材廠家提供的焊條電弧焊、埋弧焊均要求采用小熱輸入，多層多道焊接，經(jīng)焊接工藝評(píng)定，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)完全滿足技術(shù)條件要求。本試驗(yàn)主要是驗(yàn)證焊接工藝參數(shù)若超出焊材廠家要求，其對(duì)接頭力學(xué)性能尤其-30℃低溫沖擊韌性的影響，采用大熱輸入分別焊接焊條電弧焊、埋弧焊試板各一對(duì)，鋼板為國(guó)產(chǎn)舞陽鋼廠生產(chǎn)的2.25Cr-1Mo-0.25V，試板規(guī)格均為300 mm×125 mm×62 mm，坡口見圖1和圖2。

圖1 埋弧焊坡口示意圖（mm）

圖2 焊條電弧焊坡口示意圖（mm）

1 埋弧焊和焊條電弧焊工藝試驗(yàn)

埋弧焊和焊條電弧焊試驗(yàn)選用焊材與工藝評(píng)定相同，采用日本神鋼焊材，兩對(duì)試板焊接工藝參數(shù)見表1，焊道示意圖見下頁圖3和圖4，坡口與工藝評(píng)定形式相同。

表1 焊條電弧焊、埋弧焊焊接規(guī)范

圖3 埋弧焊焊道示意圖（mm）

圖4 焊條電弧焊焊道示意圖（mm）

兩對(duì)試板焊后分別進(jìn)行了（250～300）℃×2 h后熱，之后進(jìn)行了（705±10）℃×（8～10）h 消應(yīng)力熱處理，裝爐溫度不大于400℃，升溫速度不大于60℃/h，降溫速度不大于70℃/h，爐冷至400℃出爐空冷。兩對(duì)試板點(diǎn)焊和打底焊均采用焊條電弧焊，由于該鋼具有較大的淬硬性，所以試驗(yàn)點(diǎn)焊和第一層打底焊接采用強(qiáng)度級(jí)別低的J507[2]（Φ4 mm）焊條，目的是防止根部焊接接頭產(chǎn)生裂紋，反面碳弧氣刨將J507焊縫金屬刨掉后打磨，并進(jìn)行100%磁探檢測(cè)，熱處理后，經(jīng)100%超探+100射線+100%磁探檢測(cè)，埋弧焊試板起弧邊緣處有一處長(zhǎng)15 mm夾渣（可避開缺陷取樣），其余均合格。

2 焊接工藝試驗(yàn)結(jié)果

2.1 化學(xué)成分

埋弧焊、焊條電弧焊焊后焊縫金屬化學(xué)成分見表2，兩種方法大熱輸入量焊接后對(duì)化學(xué)成分影響不大；通過限制微量元素 P、As、Sb、Sn 含量，可大大提高抗回火脆性的能力，用xˉ系數(shù)＝[10w（P）+5w（Sb）+4w（Sn）+w（As）]×10-2≤12×10-6[3]來控制（式中 0.01%應(yīng)以100×10-6代入），這4個(gè)元素容易沿晶界偏析，在370～565℃溫度區(qū)間內(nèi)長(zhǎng)期工作會(huì)使鋼逐漸變脆。

2.2 力學(xué)性能

從表3力學(xué)性能看出，埋弧焊采用大熱輸入焊接，接頭綜合力學(xué)性能較差，尤其常溫屈服強(qiáng)度有1個(gè)值低于415 MPa；T/4焊縫-30℃低溫沖擊韌性值均很低在11 J以下；而焊條電弧焊采用較高熱輸入焊接，除T/2熱影響區(qū)有一個(gè)-30℃低溫沖擊韌性值低于54 J但大于47 J外，其平均值均大于100 J以上，綜合力學(xué)性能較高。在多層多道焊時(shí)，過高的預(yù)熱和層間溫度都會(huì)增大t8/5，會(huì)使焊道增厚，其熱影響區(qū)增寬，導(dǎo)致焊接接頭整體韌性下降[2]；對(duì)耐熱鋼而言允許的熱輸入量E值范圍較寬。但E值不能過高，否則會(huì)使強(qiáng)度和韌性明顯下降。故埋弧焊焊接熱輸入量須嚴(yán)格按工藝評(píng)定要求執(zhí)行。焊條電弧焊焊接熱輸入量比工藝評(píng)定可提高20%。實(shí)踐證明焊接耐熱鋼焊道厚度控制在3 mm內(nèi)，T預(yù)和T層保持在180～300℃范圍，熱輸入量E控制在20～30 kJ/cm[4]時(shí)可保證接頭力學(xué)性能滿足技術(shù)要求。

表2 焊條電弧焊、埋弧焊焊縫化學(xué)成分%

從表3力學(xué)性能看出，埋弧焊采用大熱輸入焊接，接頭綜合力學(xué)性能較差，尤其常溫屈服強(qiáng)度有1個(gè)值低于415 MPa；T/4焊縫-30℃低溫沖擊韌性值均很低（在11 J以下）；而焊條電弧焊采用較高熱輸入焊接，除T/2熱影響區(qū)有一個(gè)-30℃低溫沖擊韌性值低于54 J但大于47 J外，其平均值均大于100 J以上，綜合力學(xué)性能較高。在多層多道焊時(shí)，過高的預(yù)熱和層間溫度都會(huì)增大t8/5，會(huì)使焊道增厚，其熱影響區(qū)增寬，導(dǎo)致焊接接頭整體韌性下降[2]；對(duì)耐熱鋼而言允許的熱輸入量E值范圍較寬。但E值不能過高，否則會(huì)使強(qiáng)度和韌性明顯下降。故埋弧焊焊接熱輸入量須嚴(yán)格按工藝評(píng)定要求執(zhí)行。焊條電弧焊焊接熱輸入量比工藝評(píng)定可提高20%。實(shí)踐證明焊接耐熱鋼焊道厚度控制在3 mm內(nèi)，T預(yù)和T層保持在180～300℃范圍，熱輸入量E控制在20～30 kJ/cm時(shí)可保證接頭力學(xué)性能滿足技術(shù)要求。

表3 焊條電弧焊、埋弧焊接頭力學(xué)性能

2.3 金相組織及硬度

2.25Cr-1Mo-0.25V鋼由于其合金含量較高約在3～5%范圍內(nèi)，在焊接材料、熱處理工藝確定以后，焊接接頭的組織與焊接熱輸入及預(yù)熱、層間溫度影響很大；在低熱輸入焊接時(shí)，熱影響區(qū)變窄，但是冷速太快容易得到的馬氏體組織；在較高的熱輸入焊接時(shí)，可得到貝氏體組織。若熱輸入過高，如埋弧焊電流I=580～600 A時(shí)，可導(dǎo)致焊縫、熱影響區(qū)晶粒粗大，從而降低缺口韌性。由于Cr-Mo-V鋼淬硬傾向大，為防止焊接產(chǎn)生冷裂紋和再熱裂紋，可通過提高T預(yù)和T層來降低冷卻速度，如果T預(yù)和T層大于TMf（馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度），就會(huì)使焊接接頭部位在焊后不產(chǎn)生M體（馬氏體），而造成部分殘余奧氏體一直保留到熱處理之后，在熱處理冷卻過程中，這部分殘余奧氏體就又可能轉(zhuǎn)變?yōu)镸體，在其他因素的共同作用下就可能產(chǎn)生冷裂紋；如果T預(yù)和T層小于TMf，則焊后奧氏體會(huì)轉(zhuǎn)變成M體，經(jīng)熱處理后，這部分M體就因得到回火處理而形成韌性較好的回火馬氏體組織，從而避免了冷裂紋產(chǎn)生的危險(xiǎn)，這里關(guān)鍵是焊后至熱處理之前這段時(shí)間里由于馬氏體的存在，有產(chǎn)生裂紋的危險(xiǎn)，為防止裂紋產(chǎn)生最有效的方法是焊后立即進(jìn)行（250～300℃）×（2～3 h）后熱[4]。

從表4結(jié)果知，埋弧焊采用大熱輸入焊接，熱影響區(qū)距上下表面1.5 mm處硬度HV10均超過245在260以上，從圖5和圖6宏觀金相照片看出：厚度均為δ=62 mm試件，焊條電弧焊焊道數(shù)比埋弧焊多，埋弧焊在超過T/3后每一層焊道較厚，由于其焊接熱輸入很大，熱影響區(qū)側(cè)母材咬肉較嚴(yán)重；圖7和圖8分別對(duì)應(yīng)埋弧焊T/2焊縫沖擊值為22 J和T/4焊縫沖擊值為5.8 J沖擊試樣宏觀斷口照片。從照片看，埋弧焊采用大熱輸入焊接，焊縫沖擊試樣斷口均為脆性斷口，沖擊值很低。以上試驗(yàn)結(jié)果說明：在多層多道焊時(shí)，焊接熱輸入量越大，冷卻速度越慢，加之伴有較高的預(yù)熱和層間溫度，焊道越厚，其熱影響區(qū)越寬，當(dāng)焊道厚度超過4 mm，會(huì)導(dǎo)致焊接接頭硬度很高，接頭各區(qū)晶粒粗大，強(qiáng)度和韌性都會(huì)降低。

表4 焊條電弧焊、埋弧焊接頭金相組織及硬度（HV10）

3 結(jié)論

通過大量試驗(yàn)，對(duì)2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊接，既能提高生產(chǎn)效率又能保證焊接質(zhì)量，對(duì)各種焊接方法焊接規(guī)范參數(shù)提出以下建議：

圖5 δ=62 mm埋弧焊宏觀照片

圖6 δ=62 mm焊條電弧焊宏觀照片

圖7 埋弧焊T/2焊縫沖擊宏觀照片

圖8 埋弧焊T/4焊縫沖擊宏觀照片

1）焊條電弧焊最佳規(guī)范。焊條CM-A106HD（Φ5.0），電流 I=190～270 A，電壓 U=22～26 V，焊速v≥150 mm/min，熱輸入量 E=20～28 kJ/cm，比工藝評(píng)定可提高20%。

2）埋弧焊最佳規(guī)范。焊絲US521H（Φ4.0），焊劑PF-500，電流 I=480～550 A，電壓 U=30～32 V，焊速v≥350 mm/min，熱輸入量 E=28～30 kJ/cm，應(yīng)嚴(yán)格按焊接工藝執(zhí)行。

3）各種焊接方法預(yù)熱層間溫度。180～300℃，后熱溫度和（250～300 ℃）×（2～3 h），焊道厚度控制在3 mm內(nèi)。