对15CrMo钢的一项焊接工艺的研究

【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

[1]戈兆文，龙红，严国华.JB/T4709―2000钢制压力容器焊接规程[S].北京：中国标准出版社，2000：10.

[2]周振丰，张文钺.焊接冶金与金属焊接性[M].北京：机械工业出版社，1987.

[3]安，钱在中.焊接技术手册[M].山西：山西科学科技出版社，2000.

[4]张金昌.锅炉、压力容器的焊接裂纹与控制[M].天津：天津科学科技出版社，1985.

[5]陈伯蠡.金属焊接性基础[M].北京：机械工业出版社，2001.

[6]赵宪萍，孙坚荣.15CrMo合金钢热态飞灰冲刷磨损性能试验研究[J].动力工程，2000，20（2）.

[7]GB713-2008锅炉和压力容器用钢板[S].北京：中国标准出版社，2008：6.