淺析15CrMo鋼中厚板焊接工藝

熱處理技術

熱處理技術

摘要：15CrMo鋼是珠光體組織耐熱鋼。根據焊接質量要求，對15CrMo中厚板的焊接工藝進行了研究，通過進行焊接工藝評定試驗，確定了焊接工藝。

某公司承制的某電廠二期3＃、4＃鍋爐鋼架工程在EL44500標高層有17件板拼箱形梁，材質為15CrMo鋼，板材厚度由6～40mm，覆蓋絕大部分中厚板。 

這些構件處在受熱面部位，工作溫度高達500℃。為了保證焊接質量，手工電弧焊選用了E5515-B2型焊條，埋弧自動焊選用了H13CrMoA+SJ101焊接材料進行了焊接工藝評定試驗，為構件施焊提供了可靠的焊接工藝數據?，F以32mm厚鋼板對接焊縫為例對焊接工藝評定過程進行闡述。

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（δb≥440MPa）和抗氧化性，并具有一定的抗氫腐蝕能力。由于鋼中含有較高含量的Cr、Mo、C和其它合金元素，鋼材的淬硬傾向較明顯，焊接性差。 

15CrMo鋼的化學成分如表1示：

15CrMo鋼的化學成分 表1

其碳當量（按國際焊接協會IIW）推薦的公式：
Ceq＝C＋Mn/6＋（Cr＋Mo＋V）/5＋（Ni＋Cu）/15＝0.542%
根據經驗：當Ceq＞0.4%時，焊接接頭淬硬傾向大，可能出現冷裂紋，而15CrMo鋼的Ceq值達0.542%，故15CrMo鋼的淬硬傾向大，焊接性差，因此15CrMo鋼焊接時，焊接材料的選擇和嚴格的工藝措施，對于防止裂紋，保證使用性能至關重要。

2． 焊接工藝

 2.1 焊接材料

針對15CrMo鋼的焊接性及構件的工作特點，保證構件在高溫條件下長期安全的運行。查閱焊接手冊及相關資料，根據耐熱鋼焊接接頭應具有與母材基本相等的室溫和高溫短時強度、高溫持久強度及焊縫金屬的合金成分和含量應下母材基本一致的性能要求，確定了焊接材料。

手工電弧焊選用E5515-B2型焊條，埋弧自動焊選用H13CrMoA+HJ431焊接材料進行了焊接工藝評定試驗。以32mm厚鋼板手工電弧焊對接焊縫為例。

E5515-B2型焊條的化學成分及力學性能如表2示：

E5515-B2型焊條的化學成分及力學性能 表2

2.2 焊前準備

2.2.1 坡口制備

試件采用15CrMo—32mm鋼板,規格為-32×150×800＝2，坡口型式及尺寸見圖1。坡口加工采用氧－乙炔火焰切割法，為防止厚板火焰切割邊緣的開裂，切割前應預熱到100℃以上。試件下料后須對切割邊緣用磁粉探傷法檢查是否存在表面裂紋，拼接前對坡口及兩側50mm內徹底清除表面鐵銹、油污、氧化物等雜質至露出金屬光澤。

2.2.2 焊條烘焙

E5515-B2型焊條為低氫型堿性藥皮焊條，容易吸潮，而焊接材料中的水分是焊接氣氛的主要氫源。氫是焊縫產生延遲裂紋的有害化學元素，因此焊條在使用前必須按規定的制度烘干，且隨用隨取。

E5515-B2型焊條烘干制度如表3示：

E5515-B2型焊條烘干制度 表3

2.3 焊接工藝參數

2.3.1 焊前預熱

試件焊前需進行預熱，根據Tto-Bessyo等人提出的計算預熱溫度公式：
To=350（℃）

式中：

To——預熱溫度，℃。
[C]=[C]x+[C]p [C]p=0.005S[C]x
[C]x=C+（Mn+Cr）/9+Ni/18+7Mo/90

式中：
[C]x——成分碳當量；
[C]p——尺寸碳當量；

S——試件厚度（本文中S=32mm）;
[C]x=C+（Mn+Cr）/9+7 Mo /90=0.361
[C]p=0.058 則To=144℃

因此預熱溫度選為150℃。采用氧-乙炔焰對試件進行加溫，先用測溫筆粗略判斷試件表面的溫度（以筆跡顏色變化快慢進行估計），最后用半導體點溫計測定，測量點至少應選擇三點，以保證試件整體均達到所要求的預熱溫度。

2.3.2 工藝參數

施焊采用雙面多層焊，施焊層次見圖2，工藝參數如表4示。

焊接工藝參數 表4

2.3.2 層間控制

焊接時要嚴格控制層間溫度，層間溫度控制在200～300℃之間。焊接過程中要做到邊預熱邊焊接邊保溫。背面用碳弧氣刨清根，操作前預熱。刨削坡口根部半徑不小于6mm，坡口角度不小于20°，清根后修磨平整并除去滲碳層，進行焊接。

2.3.3 焊接后熱

試件焊后按層間溫度作2~3h的低溫后熱處理,以消除焊縫中的擴散氫。焊后試件溫度不低于300℃時，可直接覆蓋硅酸鋁棉層保溫緩冷，焊件溫度低于300℃度時加熱到300℃度以上，再覆蓋硅酸鋁棉層保溫緩冷。

2.4 無損檢測

試件焊后按《NB/T 47013-2015 承壓設備無損檢測》標準進行100%的超聲波探傷檢驗，焊縫Ⅰ級合格。

2.5 焊件退火

超聲波探傷檢驗合格后及時對焊縫部位進行局部退火處理，以消除焊接殘余應力。退火工藝為：升溫速度為150℃/h，升到650℃保溫1.5小時，降溫速度100℃/h，降到300℃后空冷。

具體采用LCD33-220型履帶式電加熱器（860×260）覆蓋焊縫，用硅酸鋁棉層保溫，保溫層厚度50mm，采用LWK-3×220-A型溫控電源箱自動控制溫度，用XWGJ-101型自動平衡記錄儀記錄曲線。

退火工藝見圖3。

1． 焊接工藝評定試驗

按《NB/T47014-2011承壓設備焊接工藝評定》標準進行焊接工藝評定試驗。

3.1 試件取樣

退火處理后，對試板進行取樣，取2個拉伸試樣，4個側彎、3個焊縫沖擊試樣、3個熱影響區沖擊試樣。氧氣切割的尺寸為：沖擊試樣的寬度為60mm，拉伸試樣為70mm,彎曲70 mm、金相50 mm。每件試件都要做好標記，以便區分。

3.2 試樣熱處理

對試樣進行正火+回火的熱處理，依據原材料的含碳量在鐵碳合金狀態圖確定正火、回火工藝的溫度范圍，根據試樣的的規格尺寸及質量由經驗確定升溫速度和保溫時間。正火900～920℃/1.5h，回火650±10℃/2h。

3.3 工藝評定

對熱處理好的試樣按標準要求進行機加工，達標后轉入理化實驗室進行力學性能試驗，

評定結果見表5。

焊接試件試驗報告 表5

2． 結論

鍋爐鋼架結構工程現已順利完工，實踐證明15CrMo鋼中厚板的焊接采用上述焊接方案可行。為了保證焊縫性能同母材匹配且具有較高的熱強性，關鍵是要嚴格焊接工藝過程，控制好焊前預熱、層間溫度、焊縫后熱以及正火、回火熱處理等工藝。