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【摘要】我国常用的一种低合金耐热钢―15crmo钢,具有较好的高温性能,工作温度可以高达540℃,但其焊接性能稍差。我们通过对焊接施工现场的分析与研究,总结出了一项切实可行的焊接工艺,解决了一些15CrMo钢施焊过程中的焊接技术难点。
【关键词】15CrMo钢;低合金耐热钢;焊接性能;焊接工艺
引言
15CrMo钢是世界各国广泛应用的珠光体型耐热钢,是适用于动力装备、石化等行业在高温高压条件下工作的重要设备的原材料。15CrMo具有较好的力学性能,焊接性能稍差,工作温度可以高达540℃,当温度超过550℃时其蠕变极限开始显著下降,在300―400℃工作仍具有较高的持久强度和抗蠕变能力,还具有较好的抗硫腐蚀和抗氢腐蚀性能,腐蚀速度慢,使用寿命长,有较好的应用前景和推广价值。
低合金耐热钢结构件焊接生产中,常用的焊接方法有:手工电弧焊、埋弧自动焊、熔化极气体保护焊、电渣焊和钨极氩弧焊等,我们结合15CrMo钢焊接生产现场实际条件与工艺要求,采用氩电联焊。钨极氩弧焊的焊接气氛具有超低氢特点,15CrMo钢焊接时可相应降低预热温度,其焊道采用氩弧焊打底,手工电弧焊盖面。
1.材料性能
1.1 15CrMo钢的化学成分
组成元素 C Si Mn S P Cr Mo
含量
(%) 0.12
∫
0.18 0.15
∫
0.40 0.40
∫
0.70 ≤
0.025 ≤
0.010 0.80
∫
1.20 0.45
∫
0.60
1.2 15CrMo钢的力学性能
钢号 热处理状态 Rm
(MPa) Re
(MPa) A
(%) Ak
(J) 备注
15CrMo 正火
回火 ≥440 ≥255 ≥19 ≥31
(20℃) 横向试样
U型缺口
1.3 15CrMo钢的焊接性能
按国际焊接学会推荐的碳当量计算公式,计算15CrMo钢的碳当量(其各合金元素含量取上限)
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15
=0.18+0.7/6+(1.2+0.60)/5
=0.18+0.12+0.36
=0.66
因15CrMo钢Ceq=0.66%,与经验数据比较,0.66%>0.60%,说明15CrMo钢的淬硬倾向大,易产生冷裂纹,焊接性能稍差,需采取焊前预热较高温度,严格控制层间温度,焊后消氢和消除应力热处理等措施。
2.焊接材料的选择
低合金耐热钢焊接材料的选择原则为:焊缝金属的合金成分与力学性能应基本上与母材相匹配,或应达到产品技术条件提出的性能指标。为提高焊缝金属的抗热裂能力,焊接材料中碳的总含量应控制在略低于母材的碳含量(最好控制在0.08―0.12%范围内)手工电弧焊焊接材料选用E5515-B2L(R307)焊条,氩弧焊选用H08CrMoA焊丝,采用氩弧焊打底,手工电弧焊填充,盖面的方法。
3.焊前准备:
3.1 开坡口
15CrMo钢板试样开V型坡口,对口间隙为3mm,钝边量1mm,单边30?。坡口加工采用火焰切割,割后磨除淬硬层,以避免切割表面淬硬产生裂纹。
3.2 焊条烘烤
焊条E5515-B2L按规范进行烘烤,烘干温度:350-400℃,保温1-2小时,烘干后放入100-150℃的保温筒内,随用随取,并做好焊条发放记录。焊丝H08CrMoA 烘干温度300℃,保温时间2小时。
3.3 焊前预热
预热范围:坡口中心两侧不小于壁厚的5倍,且不小于100mm。采用焊枪中性火焰从两侧均匀加热,加热区以外100mm范围应保温。预热温度在距对口中心50―100mm范围内测量,测量点均匀分布(至少选取3点)
4.焊接工艺参数的选择
焊道名称 焊接方法 焊接材料 焊材
规格 焊接电流(A) 电弧电压(V) 预热及层间温度(℃) 焊机
接法 焊接速度
(cm/min)
打底层 钨极
氩弧焊 H08CrMoA φ2.4 110 12 直流正接 9-11
填充层 焊条
电弧焊 E5515-B2L φ3.2 110-120 22-24 >150 直流反接 8-10
盖面层 焊条
电弧焊 E5515-B2L φ4.0 160-180 25-27 >150 直流反接 8-10
5.焊接技术措施
在保持预热温度的前提下,同一条焊缝应连续焊完,焊后应立即进行消氢处理。
因故中断焊接后应进行后热,再次焊接前应检查确认无裂纹后方可继续施焊。
多层焊时,层间温度应等于或稍高于预热温度,且每层的接头应错开。
6.焊后热处理
焊后热处理除了有消除焊接内应力的作用,还有改善金属组织结构,降低焊缝及其热影响区硬度,提高焊接接头的高温蠕变强度和组织稳定性等作用,最终达到提高焊接接头的综合力学性能的目的。因低合金耐热钢在370-565℃温度区间长期运行有回火脆性,故在选择热处理工艺时,一定要避免在此温度区长期停滞。
我国JB/T4709-2007推荐温度为≥600℃,其他相关规范推荐为640-750℃,故我们选择确定焊接接头焊后热处理温度为690±20℃,采用焊后整体热处理。
具体操作:升温速度为200/℃h,升温到690℃保温1h15min。降温速度100℃/h降到300℃后空冷。采用JL-4型履带式电加热器(1146×310)包绕焊缝,用硅酸铝棉层保温,保温层厚度50mm。温度控制采用DJK-A型电加热器自动控温仪记。
7.焊缝检验
7.1 无损探伤
焊件A、B类焊缝采用100%X射线探伤检查。按GB/T4730―2005规定Ⅱ级合格。我们本次共拍片135张,Ⅱ级(含Ⅱ级)以上共128张,其焊接一次合格率为94.8%。
焊件C、D类焊缝按GB/T4730―2005要求采用磁粉探伤检查。结果全为Ⅰ级,均合格。
7.2 试板力学性能
拉伸:Rm=494MPa;断裂位置处于母材。
弯曲:面弯、背弯均合格。
冲击韧性:所测试样Akv分别为67J,65J,59J。
布氏硬度:所测HB均处于130―145之间。
以上各力学性能指标均合格。
8.结语
上述焊接工艺是我们经过查证大量相关资料,与具有相关焊接技术资质的技师密切合作,在焊接生产现场进行了大量的技术交流和总结,结果各类性能指标均符合相关规范及相关标准的要求,为大家提供一条好的思路,希望大家少走弯路。
虽然15CrMo钢的焊接有较大难度,容易出现冷裂纹等问题,但只要勤于探索、勇于实践,精心选择恰当工艺,我们完全可以保证15CrMo钢的焊缝质量。实践证明上述焊接工艺是合理的。
参考文献
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