陳海峰， 吳和斌， 郝曉東， 屈文奇

（山西陽(yáng)煤化工機(jī)械有限公司，山西 太原 030032）

引 言

針對(duì)某公司的加氫反應(yīng)器產(chǎn)品，對(duì)主體材料為38mm厚的15CrMoR材料進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定。15CrMoR鋼材屬于珠光體耐熱鋼，這種材料在高溫下具有高溫持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度和高的耐蝕性、抗氫能力［1－2］、抗氧化性及抗脆斷能力［3］。但由于鋼中有較高含量的Cr、C和其他合金元素，鋼材的淬硬傾向較大，焊接性能較差。特別是對(duì)于厚板的焊接，焊接的過(guò)程中容易產(chǎn)生冷裂紋［4］、焊接熱影響區(qū)硬化及熱處理后產(chǎn)生再熱裂紋等缺陷［5－8］。因此，合理的制定焊接工藝及焊后熱處理工藝，對(duì)焊接接頭性能至關(guān)重要。本文對(duì)38mm厚的15CrMoR板材對(duì)接的焊接工藝進(jìn)行了探索，獲得了性能優(yōu)良的焊接接頭，為產(chǎn)品的制造提供了理論依據(jù)。

1 焊接原材料及工藝

根據(jù)NB／T47014－2011標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。實(shí)驗(yàn)原材料選用某公司的15CrMoR板材，板材的化學(xué)成分如第41頁(yè)表1所示。試樣的規(guī)格尺寸為500mm×125mm×38mm，坡口采用機(jī)械加工成U形坡口，坡口尺寸如第41頁(yè)圖1所示。焊接方法采用GTAW 進(jìn)行打底，焊絲根據(jù)NB／T47018.3選用H13CrMoA，SMAW進(jìn)行填充蓋面，根據(jù)NB／T47018.2焊條選用R307。焊接前對(duì)試樣進(jìn)行丙酮擦洗，去除坡口表面的油污等雜質(zhì)。焊接過(guò)程中的焊接工藝參數(shù)如第41頁(yè)表2所示。根據(jù)式（1）對(duì)15CrMoR鋼的碳當(dāng)量進(jìn)行計(jì)算。碳當(dāng)量的大小可以有效地預(yù)測(cè)材料焊接冷裂紋產(chǎn)生的敏感性。由式（2）計(jì)算38mm厚的15CrMoR鋼的預(yù)熱溫度（T）［9－10］。預(yù)熱溫度的選擇影響焊接接頭的組織形貌。

根據(jù)表1板材的化學(xué)成分實(shí)測(cè)值得15CrMoR鋼的碳當(dāng)量為0.527%，因此需對(duì)焊接板材進(jìn)行預(yù)熱，以降低材料的淬硬傾向，防止冷裂紋的產(chǎn)生。

式（2）中：Pcm＝C＋A（c）［Si／24＋Mn／16＋Cu／15＋Ni／20＋（Cr＋Mo＋V＋Nb）／5＋5B］（%），A（c）＝0.835；［H］＝1mL／（100g）～5mL／（100g）；σb＝556MPa；δ＝38mm。

根據(jù)式（2）的理論計(jì)算，結(jié)合施工場(chǎng)所的實(shí)際情況，選取預(yù)熱溫度為140℃，道間溫度小于250℃，焊后在250℃～350℃熱2h，對(duì)焊接試件進(jìn)行焊后熱處理，焊接試板在（660±10）℃溫度條件下保溫18h，保溫后隨爐冷卻，溫度小于400℃以后在空氣中冷卻。具體熱處理工藝及要求如圖2所示。

表1 15CrMoR板材的化學(xué)成分%

表2 焊接工藝參數(shù)

圖1 試板坡口尺寸及焊層分布

圖2 熱處理工藝線(xiàn)路圖

2 焊接效果分析

試板焊接完成后，焊縫表面魚(yú)鱗紋分布均勻，焊縫光滑，未出現(xiàn)咬邊、下塌及焊瘤等現(xiàn)象。熱處理前、后分別對(duì)焊縫進(jìn)行射線(xiàn)探傷檢測(cè)，檢測(cè)質(zhì)量為Ⅱ級(jí)。熱處理前、后的射線(xiàn)探傷結(jié)果表明，在焊縫內(nèi)部未出現(xiàn)裂紋、氣孔、夾渣的焊接缺陷，焊縫質(zhì)量良好。采用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)熱處理后的焊接試板分別進(jìn)行室溫和400℃溫度條件下的拉伸性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3和表4所示。對(duì)試樣進(jìn)行側(cè)彎實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。對(duì)試樣進(jìn)行夏比Ⅴ型缺口沖擊實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)第42頁(yè)表6。對(duì)焊接接頭的硬度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如第42頁(yè)表7所示。

表3 室溫條件下的拉伸性能結(jié)果

表4 400℃溫度條件下的拉伸性能結(jié)果

表5 彎曲試驗(yàn)性能報(bào)告

由表3可得焊接接頭在室溫條件下的拉伸強(qiáng)度平均值為519MPa，比要求強(qiáng)度高出69MPa，滿(mǎn)足要求。但斷口的斷裂位置均為熱影響區(qū)部位，因此熱影響區(qū)是焊接接頭的薄弱區(qū)域。在400℃溫度條件下材料的平均強(qiáng)度可達(dá)370MPa，具有良好的力學(xué)性能。由表5可以看出，焊縫和熱影響區(qū)的硬度略高于母材，但相差不大。這是由于采用了合理的焊前預(yù)熱和焊后后熱，熱輸入小，以及在焊后熱處理的過(guò)程中焊接殘余應(yīng)力的釋放和碳化物的均勻析出，焊接接頭的組織比較均勻，硬度值相差不大。由表6的沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，熱影響區(qū)的沖擊吸收功小于焊縫區(qū)，熱影響區(qū)的脆性?xún)A向較大，但沖擊吸收功均大于31J的要求值，滿(mǎn)足要求。對(duì)試件進(jìn)行側(cè)彎實(shí)驗(yàn)，彎曲180°后未見(jiàn)裂紋產(chǎn)生。

表6 沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表7 焊接接頭硬度值（HBW）

3 結(jié)論

1）對(duì)厚度為38mm的15CrMoR耐熱鋼采用對(duì)接U型坡口，GTAW（焊絲H13CrMoA）進(jìn)行打底，選用SMAW（焊條R307）進(jìn)行填充蓋面的方法，獲得了合適的焊接工藝參數(shù)，焊接接頭性能優(yōu)良，表面成形良好。

2）焊接接頭的平均拉伸強(qiáng)度可達(dá)519MPa，斷裂于焊縫熱影響區(qū)，400℃時(shí)焊接接頭的屈服強(qiáng)度可達(dá)295MPa，焊縫及熱影響區(qū)的硬度分別為176HBW和190HBW，略高于母材，焊縫及熱影響區(qū)在－20℃時(shí)的沖擊功為51.7J和49.3J，側(cè)彎180°后未見(jiàn)裂紋產(chǎn)生。焊接接頭的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿(mǎn)足要求。

3）探索出了15CrMoR厚板的焊接工藝，制定出了滿(mǎn)足產(chǎn)品生產(chǎn)要求的焊接工藝評(píng)定，為產(chǎn)品的制造提供了理論基礎(chǔ)。

［1］ 陳文靜，屈金山，鐘玉，等.15CrMoR低合金耐熱鋼焊接工藝評(píng)定［J］.電焊機(jī)，2006，36（6）：66－67.

［2］ 王炳英，劉曉旭.15CrMoR＋0Cr18Ni9不銹鋼復(fù)合鋼板焊接工藝［J］.石油化工設(shè)備，2005，34（5）：47－49.

［3］ 孫桂英.15CrMoR厚壁錐體與法蘭環(huán)向焊縫裂紋的返修［J］.石油化工建設(shè)，2005，27（2）：57－59.

［4］ 徐海娜.平面鋼閘門(mén)焊接變形的控制［J］.焊接技術(shù)，2006，35（5）：63－65.

［5］ 單利，韓光亮.15CrMoR鋼板的焊接工藝［J］.工藝與新技術(shù)，2007，136（2）：37－38.

［6］ 蘇志明.15CrMoR珠光體耐熱鋼焊接［J］.科技視界，2012，5（15）：60－62.

［7］ 齊淑改.15CrMoR反應(yīng)器的焊接［J］.焊接技術(shù)，2004，33（6）：64－66.

［8］ 中國(guó)工程機(jī)械學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)：第二分冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［9］ 彭澤歡.15CrMoR中厚板的手弧焊接［J］.木工機(jī)床，2002（2）：24－26.

［10］美國(guó)焊接學(xué)會(huì).金屬及其焊接性：第四卷［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.