龍昌茂，張婉云，陶興南

（1.廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007；2.廣西建工集團(tuán)第二安裝公司，廣西 柳州 545026）

0 前言

利用工業(yè)余熱（如燒結(jié)、冶煉、熱能發(fā)電等產(chǎn)生的余熱）進(jìn)行發(fā)電自用和他用，這是熱能再利用或二次應(yīng)用的一條重要途徑，余熱發(fā)電不僅會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，還可減少對(duì)空氣和環(huán)境的污染（除塵、降溫、廢渣再利用等）。因此，早在上世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)就有企業(yè)引進(jìn)技術(shù)工業(yè)余熱發(fā)電的例子。進(jìn)入21世紀(jì)，廣西柳鋼利用燒鍋廠的余熱也自主設(shè)計(jì)和安裝了2萬(wàn)千伏安成套余熱發(fā)電裝置。

余熱鍋爐進(jìn)口煙道是2萬(wàn)千伏安成套發(fā)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(guò)程中，因煙道內(nèi)壁產(chǎn)生嚴(yán)重磨損和腐蝕及水平管嚴(yán)重變形等，在使用約1.7年（即20.4個(gè)月）后，致使進(jìn)口煙道失效破壞。經(jīng)初步分析和論證后，在其結(jié)構(gòu)形式和技術(shù)參數(shù)不改變的條件下，決定采用10 mm15CrMo鋼和φ4.0 mmR307（E5515-B2）焊條進(jìn)行進(jìn)口煙道的制造，同時(shí)要求其使用壽命達(dá)到5年以上。

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

1 余熱鍋爐進(jìn)口煙道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)參數(shù)

結(jié)構(gòu)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(jìn)口煙道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)參數(shù)是十分重要的。

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

余熱鍋爐進(jìn)口煙道的直徑為φ4 200 mm，水平管長(zhǎng)19 500 mm，垂直管長(zhǎng)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(jié)構(gòu)自身重（約為 3.6 t）的特點(diǎn)。

煙道由13節(jié)管組成，每節(jié)管由兩塊卷鋼板拼桿而成，部分管與管之間還用膨脹節(jié)（起到調(diào)節(jié)熱脹冷縮的作用）連接，即共有對(duì)接環(huán)縫6條，對(duì)接縱縫26條，角焊縫5條。因此，煙道結(jié)構(gòu)具有焊縫數(shù)量多和長(zhǎng)度長(zhǎng)的特點(diǎn)。

1.2 技術(shù)參數(shù)

（1）介質(zhì)為熱空氣，風(fēng)量為 3.8 × 104cm3/h，風(fēng)壓為-800Poc（真空）。

（2）熱空氣中含有少量的燒結(jié)細(xì)礦物粉塵。

（3）煙道內(nèi)溫度為320～550℃。

（4）進(jìn)口煙道使用壽命設(shè)計(jì)值為5年。

2 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)的目的及項(xiàng)目

15CrMo鋼雖然是定期的具有良好性能的低合金高強(qiáng)度耐熱鋼，但要用于大型結(jié)構(gòu)和工況條件苛刻的余熱鍋爐進(jìn)口煙道的制造，對(duì)其進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)也是十分必要的。

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

（1）通過(guò)焊接工藝試驗(yàn)，對(duì)15CrMo鋼用于余熱鍋爐進(jìn)口煙道的焊接性優(yōu)劣作出評(píng)定（當(dāng)然要考慮到結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用條件，即技術(shù)參數(shù)對(duì)焊接性的影響）。

（2）從不同焊接工藝參數(shù)條件下的全面性能試驗(yàn)結(jié)果中，篩選出最優(yōu)化焊接工藝方案，為制定正確的焊接工藝文件提供依據(jù)，以指導(dǎo)和規(guī)范15CrMo鋼用于進(jìn)口煙道的焊接。

目前余熱鍋爐進(jìn)口煙道的設(shè)計(jì)（含材料、結(jié)構(gòu)和焊接工藝等）尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，故15CrMo鋼用于進(jìn)口煙道的焊接工藝，可為其它企業(yè)的類似余熱鍋爐進(jìn)口煙道的焊接生產(chǎn)提供借鑒和參考。

2.2 試驗(yàn)項(xiàng)目

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

（3）不同預(yù)熱溫度條件的15CrMo鋼抗裂性能試驗(yàn)。

3 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)及結(jié)果[2]

各項(xiàng)性能試驗(yàn)所采用的10mm15CrMo鋼和φ4.0 mmR307焊條均為同一批號(hào)的合格產(chǎn)品。在焊接前，R307焊條須經(jīng)250℃烘焙，隨爐冷卻至40℃，隨用隨取。所有試驗(yàn)，如試板焊制、試樣加工和理化性能測(cè)試等，都按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

3.1 15CrMo鋼理化性能試驗(yàn)結(jié)果

10mm15CrMo鋼的化學(xué)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(xué)性能，表2所列為15CrMo鋼在550℃*8h條件下的力學(xué)性能。

表1 10mm 15C rMo鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

表2 10mm 15C rMo鋼力學(xué)性能

3.2 R307焊條熔敷金屬理化性能試驗(yàn)結(jié)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(shù)按照“表6”進(jìn)行，每道參數(shù)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(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

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(yàn)結(jié)果

對(duì)接接頭試板為10 mm15CrMo鋼，其尺寸為10*150*400 mm（厚*寬*長(zhǎng)），共4塊（即兩付對(duì)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(shù)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(shù)如表5、6所示。

表5 A組焊接工藝參數(shù)

表6 B組焊接工藝參數(shù)

在焊固定焊縫時(shí)，預(yù)先給試板一定的反變形量，試板焊接好進(jìn)行進(jìn)行550℃*8 h熱處理。然后取樣進(jìn)行理化實(shí)驗(yàn)分析。

焊接接頭理化性能試驗(yàn)用試樣的取樣位置如圖1所示，并按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)加工試樣。

圖1 取樣位置示意圖

不同焊接工藝參數(shù)條件下，焊接接頭理化性能試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）焊縫金屬化學(xué)成分分析結(jié)果，見表7所列。

表7 焊縫金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

（2）焊縫金屬拉伸試驗(yàn)結(jié)果，見表8所列。

表8 焊縫金屬力學(xué)性能

（3）焊接接頭V型缺口沖出試驗(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)按CB4675.1-84要求進(jìn)行，主要考核15Cr-Mo鋼焊接熱影響區(qū)和R307焊縫金屬對(duì)冷裂紋的敏感性。

試件尺寸見圖2所示，試驗(yàn)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(yàn)焊縫在對(duì)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(yàn)用試件圖

采用φ4.0 mmR307焊條在不預(yù)熱情況下，施焊拘束焊縫（先正面，后反面，注意預(yù)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(yàn)焊縫，其焊接工藝參數(shù)分兩組，均按照上面“表2”進(jìn)行。

第一組焊接時(shí)需對(duì)試件進(jìn)行焊前預(yù)熱（預(yù)熱溫度為100℃），焊后取3個(gè)試樣。

第二組焊接時(shí)不需對(duì)試件進(jìn)行焊前預(yù)熱，焊后取3個(gè)試樣。

每個(gè)試件焊一道試驗(yàn)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(jié)果表明：第一組預(yù)熱100℃的3個(gè)試樣未發(fā)現(xiàn)任何形式的焊接裂紋；第二組不預(yù)熱的3個(gè)試樣，每個(gè)試樣在引弧端的根部均有一條約6 mm長(zhǎng)的焊接裂紋，而其它部位未發(fā)現(xiàn)裂紋。

4 焊接性評(píng)定及焊接工藝制定

4.1 焊接性評(píng)定

根據(jù)前面各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)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(xué)性能（參見表 1～4）。

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

（3）在不同工藝條件下和經(jīng)過(guò)高溫時(shí)效處理后，焊接接頭的焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)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(yù)熱條件下，由于斜Y形對(duì)接接頭的拘束度大，即剛性比實(shí)際結(jié)構(gòu)大，根部尖角處會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力集中，故產(chǎn)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(jìn)口煙道的制造，會(huì)具有良好的焊接性。

4.2 焊接工藝的制定

焊接工藝參數(shù)適用于10 mm15CrMo鋼用于余熱鍋爐進(jìn)口煙道的焊接生產(chǎn)。

（1）對(duì)接接頭（含縱縫和環(huán)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(duì)母材進(jìn)行清理，以去除表面水份、油污、鐵銹等雜質(zhì)。

（3）焊接工藝參數(shù)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(yù)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(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)變形，可采取分段倒退焊和對(duì)稱焊等方法。

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

（6）如果發(fā)現(xiàn)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(jìn)行補(bǔ)焊，其工藝與正式焊縫一樣要求，同一處補(bǔ)焊不能超兩次。

5 結(jié)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(xué)性能，還有良好的V型缺口沖擊韌性抗裂性等。這些足以說(shuō)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(qiáng)度、塑性和韌性，完全可以滿足15CrMo和R307焊條用于余熱鍋記進(jìn)口煙道焊接結(jié)構(gòu)的使用要求的。

（3）根據(jù)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果，而制定的焊接工藝參數(shù)，可指導(dǎo)15CrMo鋼用于余熱鍋記進(jìn)口煙道的焊接生產(chǎn)，也可供該鋼種用于類似結(jié)構(gòu)焊接作參考。