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淺析15CrMo鋼中厚板焊接工藝

熱處理技術(shù)

熱處理技術(shù)

摘要：15CrMo鋼是珠光體組織耐熱鋼。根據(jù)焊接質(zhì)量要求，對(duì)15CrMo中厚板的焊接工藝進(jìn)行了研究，通過進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，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(biāo)高層有17件板拼箱形梁，材質(zhì)為15CrMo鋼，板材厚度由6～40mm，覆蓋絕大部分中厚板。 

這些構(gòu)件處在受熱面部位，工作溫度高達(dá)500℃。為了保證焊接質(zhì)量，手工電弧焊選用了E5515-B2型焊條，埋弧自動(dòng)焊選用了H13CrMoA+SJ101焊接材料進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，為構(gòu)件施焊提供了可靠的焊接工藝數(shù)據(jù)?，F(xiàn)以32mm厚鋼板對(duì)接焊縫為例對(duì)焊接工藝評(píng)定過程進(jìn)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(qiáng)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(xué)成分如表1示：

15CrMo鋼的化學(xué)成分 表1

其碳當(dāng)量（按國(guó)際焊接協(xié)會(huì)IIW）推薦的公式：
Ceq＝C＋Mn/6＋（Cr＋Mo＋V）/5＋（Ni＋Cu）/15＝0.542%
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)Ceq＞0.4%時(shí)，焊接接頭淬硬傾向大，可能出現(xiàn)冷裂紋，而15CrMo鋼的Ceq值達(dá)0.542%，故15CrMo鋼的淬硬傾向大，焊接性差，因此15CrMo鋼焊接時(shí)，焊接材料的選擇和嚴(yán)格的工藝措施，對(duì)于防止裂紋，保證使用性能至關(guān)重要。

2． 焊接工藝

 2.1 焊接材料

針對(duì)15CrMo鋼的焊接性及構(gòu)件的工作特點(diǎn)，保證構(gòu)件在高溫條件下長(zhǎng)期安全的運(yùn)行。查閱焊接手冊(cè)及相關(guān)資料，根據(jù)耐熱鋼焊接接頭應(yīng)具有與母材基本相等的室溫和高溫短時(shí)強(qiáng)度、高溫持久強(qiáng)度及焊縫金屬的合金成分和含量應(yīng)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(dòng)焊選用H13CrMoA+HJ431焊接材料進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。以32mm厚鋼板手工電弧焊對(duì)接焊縫為例。

E5515-B2型焊條的化學(xué)成分及力學(xué)性能如表2示：

E5515-B2型焊條的化學(xué)成分及力學(xué)性能 表2

2.2 焊前準(zhǔn)備

2.2.1 坡口制備

試件采用15CrMo—32mm鋼板,規(guī)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(yīng)預(yù)熱到100℃以上。試件下料后須對(duì)切割邊緣用磁粉探傷法檢查是否存在表面裂紋，拼接前對(duì)坡口及兩側(cè)50mm內(nèi)徹底清除表面鐵銹、油污、氧化物等雜質(zhì)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?dú)湓础涫呛缚p產(chǎn)生延遲裂紋的有害化學(xué)元素，因此焊條在使用前必須按規(guī)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(shù)

2.3.1 焊前預(yù)熱

試件焊前需進(jìn)行預(yù)熱，根據(jù)Tto-Bessyo等人提出的計(jì)算預(yù)熱溫度公式：
To=350（℃）

式中：

To——預(yù)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(dāng)量；
[C]p——尺寸碳當(dāng)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(yù)熱溫度選為150℃。采用氧-乙炔焰對(duì)試件進(jìn)行加溫，先用測(cè)溫筆粗略判斷試件表面的溫度（以筆跡顏色變化快慢進(jìn)行估計(jì)），最后用半導(dǎo)體點(diǎn)溫計(jì)測(cè)定，測(cè)量點(diǎn)至少應(yīng)選擇三點(diǎn)，以保證試件整體均達(dá)到所要求的預(yù)熱溫度。

2.3.2 工藝參數(shù)

施焊采用雙面多層焊，施焊層次見圖2，工藝參數(shù)如表4示。

焊接工藝參數(shù) 表4

2.3.2 層間控制

焊接時(shí)要嚴(yán)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(yù)熱邊焊接邊保溫。背面用碳弧氣刨清根，操作前預(yù)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(jìn)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(kuò)散氫。焊后試件溫度不低于300℃時(shí)，可直接覆蓋硅酸鋁棉層保溫緩冷，焊件溫度低于300℃度時(shí)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(cè)

試件焊后按《NB/T 47013-2015 承壓設(shè)備無損檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行100%的超聲波探傷檢驗(yàn)，焊縫Ⅰ級(jí)合格。

2.5 焊件退火

超聲波探傷檢驗(yàn)合格后及時(shí)對(duì)焊縫部位進(jìn)行局部退火處理，以消除焊接殘余應(yīng)力。退火工藝為：升溫速度為150℃/h，升到650℃保溫1.5小時(shí)，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(dòng)控制溫度，用XWGJ-101型自動(dòng)平衡記錄儀記錄曲線。

退火工藝見圖3。

1． 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

按《NB/T47014-2011承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。

3.1 試件取樣

退火處理后，對(duì)試板進(jìn)行取樣，取2個(gè)拉伸試樣，4個(gè)側(cè)彎、3個(gè)焊縫沖擊試樣、3個(gè)熱影響區(qū)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(biāo)記，以便區(qū)分。

3.2 試樣熱處理

對(duì)試樣進(jìn)行正火+回火的熱處理，依據(jù)原材料的含碳量在鐵碳合金狀態(tài)圖確定正火、回火工藝的溫度范圍，根據(jù)試樣的的規(guī)格尺寸及質(zhì)量由經(jīng)驗(yàn)確定升溫速度和保溫時(shí)間。正火900～920℃/1.5h，回火650±10℃/2h。

3.3 工藝評(píng)定

對(duì)熱處理好的試樣按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行機(jī)加工，達(dá)標(biāo)后轉(zhuǎn)入理化實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，

評(píng)定結(jié)果見表5。

焊接試件試驗(yàn)報(bào)告 表5

2． 結(jié)論

鍋爐鋼架結(jié)構(gòu)工程現(xiàn)已順利完工，實(shí)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(qiáng)性，關(guān)鍵是要嚴(yán)格焊接工藝過程，控制好焊前預(yù)熱、層間溫度、焊縫后熱以及正火、回火熱處理等工藝。