15CrMo鋼用于余熱鍋爐進口煙道的焊接工藝評定試驗研究

龍昌茂，張婉云，陶興南

（1.廣西機電職業技術學院，廣西 南寧 530007；2.廣西建工集團第二安裝公司，廣西 柳州 545026）

0 前言

利用工業余熱（如燒結、冶煉、熱能發電等產生的余熱）進行發電自用和他用，這是熱能再利用或二次應用的一條重要途徑，余熱發電不僅會產生巨大的經濟和社會效益，還可減少對空氣和環境的污染（除塵、降溫、廢渣再利用等）。因此，早在上世紀90年代，國內就有企業引進技術工業余熱發電的例子。進入21世紀，廣西柳鋼利用燒鍋廠的余熱也自主設計和安裝了2萬千伏安成套余熱發電裝置。

余熱鍋爐進口煙道是2萬千伏安成套發電裝置的重要組成部分，原選用10 mm16Hu鋼和φ4.0 mmJ506（E5016）焊條焊接而成，在使用過程中，因煙道內壁產生嚴重磨損和腐蝕及水平管嚴重變形等，在使用約1.7年（即20.4個月）后，致使進口煙道失效破壞。經初步分析和論證后，在其結構形式和技術參數不改變的條件下，決定采用10 mm15CrMo鋼和φ4.0 mmR307（E5515-B2）焊條進行進口煙道的制造，同時要求其使用壽命達到5年以上。

15CrMo鋼用于余熱鍋爐進口煙道的制造必須要完成三大工作任務，即焊接工藝試驗與評定，分段煙道的焊接生產及煙道的組裝和安裝。本文僅介紹焊接工藝試驗與評定的情況。

1 余熱鍋爐進口煙道的結構特點及技術參數

結構形式和使用條件是影響焊接性的主要因素，故分析和了解進口煙道的結構特點和技術參數是十分重要的。

1.1 結構特點

余熱鍋爐進口煙道的直徑為φ4 200 mm，水平管長19 500 mm，垂直管長9 800 mm，兩者用焊接彎管連接。因此，煙道具有幾何尺寸大和結構自身重（約為 3.6 t）的特點。

煙道由13節管組成，每節管由兩塊卷鋼板拼桿而成，部分管與管之間還用膨脹節（起到調節熱脹冷縮的作用）連接，即共有對接環縫6條，對接縱縫26條，角焊縫5條。因此，煙道結構具有焊縫數量多和長度長的特點。

1.2 技術參數

（1）介質為熱空氣，風量為 3.8 × 104cm3/h，風壓為-800Poc（真空）。

（2）熱空氣中含有少量的燒結細礦物粉塵。

（3）煙道內溫度為320～550℃。

（4）進口煙道使用壽命設計值為5年。

2 焊接工藝評定試驗的目的及項目

15CrMo鋼雖然是定期的具有良好性能的低合金高強度耐熱鋼，但要用于大型結構和工況條件苛刻的余熱鍋爐進口煙道的制造，對其進行焊接工藝評定試驗也是十分必要的。

2.1 試驗目的

（1）通過焊接工藝試驗，對15CrMo鋼用于余熱鍋爐進口煙道的焊接性優劣作出評定（當然要考慮到結構特點和使用條件，即技術參數對焊接性的影響）。

（2）從不同焊接工藝參數條件下的全面性能試驗結果中，篩選出最優化焊接工藝方案，為制定正確的焊接工藝文件提供依據，以指導和規范15CrMo鋼用于進口煙道的焊接。

目前余熱鍋爐進口煙道的設計（含材料、結構和焊接工藝等）尚無統一標準，故15CrMo鋼用于進口煙道的焊接工藝，可為其它企業的類似余熱鍋爐進口煙道的焊接生產提供借鑒和參考。

2.2 試驗項目

（1）10mm15CrMo鋼和 φ4.0mmR307 焊條在高溫條件下的理化性能試驗[1]。

（2）不同焊接電流和層間溫度條件下的焊接接頭理化性能試驗[1]。

（3）不同預熱溫度條件的15CrMo鋼抗裂性能試驗。

3 焊接工藝評定試驗及結果[2]

各項性能試驗所采用的10mm15CrMo鋼和φ4.0 mmR307焊條均為同一批號的合格產品。在焊接前，R307焊條須經250℃烘焙，隨爐冷卻至40℃，隨用隨取。所有試驗，如試板焊制、試樣加工和理化性能測試等，都按相關標準進行。

3.1 15CrMo鋼理化性能試驗結果

10mm15CrMo鋼的化學成分，見表1所列，因其含有0.91%Cr和0.47%Mo，故該鋼種具有良好的高溫力學性能，表2所列為15CrMo鋼在550℃*8h條件下的力學性能。

表1 10mm 15C rMo鋼化學成分（質量分數%）

表2 10mm 15C rMo鋼力學性能

3.2 R307焊條熔敷金屬理化性能試驗結果

R307（E5515-B2）焊條是鉻鉬珠光作耐熱鋼焊條，15CrMo鋼配合專用焊條。10 mm15CrMo的焊接鋼采用 R30焊絲（φ2.5 mm）和 R307焊條（φ3.2 mm和φ4.0 mm），層間溫度約為150℃，其他參數按照“表6”進行，每道參數焊接3層，其熔敷金屬的理化性能，分別見表3和表4所列。

表3 R30焊絲、R307焊條熔敷金屬化學成分（質量分數%）

表4 R30焊絲、R307焊條熔敷金屬力性能

3.3 焊接接頭理化性能試驗結果

對接接頭試板為10 mm15CrMo鋼，其尺寸為10*150*400 mm（厚*寬*長），共4塊（即兩付對接板）。單邊坡口角度為30°，鈍邊2 mm。

采用手工鎢極氬弧焊打底（R30焊絲，φ2.5 mm），焊條手工電弧焊填充、蓋面焊接（R307焊條，φ3.2 mm 和 φ4.0 mm），焊前烘焙 250 ℃*2 h，焊接工藝參數分A、B兩組，即焊接電流和層間溫度分別為100 A*100℃、110 A*100℃、165 A*100℃、155 A*100℃和130 A*200℃、175 A*200℃、160 A*200℃。具體參數如表5、6所示。

表5 A組焊接工藝參數

表6 B組焊接工藝參數

在焊固定焊縫時，預先給試板一定的反變形量，試板焊接好進行進行550℃*8 h熱處理。然后取樣進行理化實驗分析。

焊接接頭理化性能試驗用試樣的取樣位置如圖1所示，并按有關標準加工試樣。

圖1 取樣位置示意圖

不同焊接工藝參數條件下，焊接接頭理化性能試驗結果如下：

（1）焊縫金屬化學成分分析結果，見表7所列。

表7 焊縫金屬化學成分（質量分數%）

（2）焊縫金屬拉伸試驗結果，見表8所列。

表8 焊縫金屬力學性能

（3）焊接接頭V型缺口沖出試驗結果，見表9所列。

表9 V型缺口沖擊值（J）

（4）斜Y形坡口焊接裂紋試驗結果

試驗按CB4675.1-84要求進行，主要考核15Cr-Mo鋼焊接熱影響區和R307焊縫金屬對冷裂紋的敏感性。

試件尺寸見圖2所示，試驗焊縫的坡口形式如圖2的A-A剖面，拘束焊縫的坡口形式如圖2的BB剖面，試驗焊縫在對接上頭試件的中部，兩端為拘束焊縫。

圖2 斜Y形坡口裂紋試驗用試件圖

采用φ4.0 mmR307焊條在不預熱情況下，施焊拘束焊縫（先正面，后反面，注意預留反變形量）焊接電流為160 A。

待拘束焊縫冷卻至室溫后，即可焊接試驗焊縫，其焊接工藝參數分兩組，均按照上面“表2”進行。

第一組焊接時需對試件進行焊前預熱（預熱溫度為100℃），焊后取3個試樣。

第二組焊接時不需對試件進行焊前預熱，焊后取3個試樣。

每個試件焊一道試驗焊縫，并在48 h后解剖檢查焊縫表面，焊根和接頭斷面的裂紋情況。

檢查結果表明：第一組預熱100℃的3個試樣未發現任何形式的焊接裂紋；第二組不預熱的3個試樣，每個試樣在引弧端的根部均有一條約6 mm長的焊接裂紋，而其它部位未發現裂紋。

4 焊接性評定及焊接工藝制定

4.1 焊接性評定

根據前面各項試驗結果，可歸納為：

（1）母材和焊縫中C含量及S、P含量均較低，含金元素總含量也低，且都具有良好的綜合力學性能（參見表 1～4）。

（2）熔敷金屬和焊縫金屬在設計不同的焊接工藝參數條件下（主要是焊接電流和層間溫度不同），其力學性能變化不大，都具有較高的高溫強度（參見表 4、表 6）。

（3）在不同工藝條件下和經過高溫時效處理后，焊接接頭的焊縫、熔合區和熱影響區的V型缺口沖擊性都具有較高水平（參見表7），即具有較高的韌性水平。

（4）在不預熱條件下，由于斜Y形對接接頭的拘束度大，即剛性比實際結構大，根部尖角處會產生較大應力集中，故產生了焊接冷裂紋，但裂紋率均小于10%。

鑒于此，15CrMo鋼用于余熱鍋爐進口煙道的制造，會具有良好的焊接性。

4.2 焊接工藝的制定

焊接工藝參數適用于10 mm15CrMo鋼用于余熱鍋爐進口煙道的焊接生產。

（1）對接接頭（含縱縫和環縫），V型坡口，單邊角度30°，鈍邊2 mm，裝配間隙2 mm。

（2）在焊接固定焊縫前，先對母材進行清理，以去除表面水份、油污、鐵銹等雜質。

（3）焊接工藝參數為：鎢極氬弧焊電流100～110 A，φ3.2 mm 焊條焊接電流 110 ～ 130 A，φ4.0 mm 焊條焊接電流150～180 A，層間溫度100～200℃，焊前不預熱。

（4）焊接順序是先手工鎢極氬弧焊打底，然后焊條手工電弧焊填充、蓋面。為減少應力集中和結構變形，可采取分段倒退焊和對稱焊等方法。

（5）采用超聲波探傷方法，對所有縱縫和環縫進行檢查，以確定是否有些裂紋存在。

（6）如果發現焊縫存在冷裂紋等缺陷，必須采用碳弧氣刨方法予以清除，然后進行補焊，其工藝與正式焊縫一樣要求，同一處補焊不能超兩次。

5 結論

（1）母材和焊縫中的C、S、P含量均較低，且合金元素量也低，在不同工藝條件下，焊接接頭具有良好綜合力學性能，還有良好的V型缺口沖擊韌性抗裂性等。這些足以說明15CrMo鋼在一定工藝條件下具有良好的焊接性。

（2）母材和焊縫在高溫（55℃）條件下，具有較高的強度、塑性和韌性，完全可以滿足15CrMo和R307焊條用于余熱鍋記進口煙道焊接結構的使用要求的。

（3）根據焊接工藝評定試驗結果，而制定的焊接工藝參數，可指導15CrMo鋼用于余熱鍋記進口煙道的焊接生產，也可供該鋼種用于類似結構焊接作參考。