浅析15CrMo钢中厚板焊接工艺

热处理技术

热处理技术

摘要：15CrMo钢是珠光体组织耐热钢。根据焊接质量要求，对15CrMo中厚板的焊接工艺进行了研究，通过进行焊接工艺评定试验，确定了焊接工艺。

某公司承制的某电厂二期3＃、4＃锅炉钢架工程在EL44500标高层有17件板拼箱形梁，材质为15CrMo钢，板材厚度由6～40mm，覆盖绝大部分中厚板。 

这些构件处在受热面部位，工作温度高达500℃。为了保证焊接质量，手工电弧焊选用了E5515-B2型焊条，埋弧自动焊选用了H13CrMoA+SJ101焊接材料进行了焊接工艺评定试验，为构件施焊提供了可靠的焊接工艺数据。现以32mm厚钢板对接焊缝为例对焊接工艺评定过程进行阐述。

1． 15CrMo钢的焊接性
15CrMo钢系珠光体组织低合金耐热钢，在高温下具有较高的热强性（δb≥440MPa）和抗氧化性，并具有一定的抗氢腐蚀能力。由于钢中含有较高含量的Cr、Mo、C和其它合金元素，钢材的淬硬倾向较明显，焊接性差。 

15CrMo钢的化学成分如表1示：

15CrMo钢的化学成分 表1

其碳当量（按国际焊接协会IIW）推荐的公式：
Ceq＝C＋Mn/6＋（Cr＋Mo＋V）/5＋（Ni＋Cu）/15＝0.542%
根据经验：当Ceq＞0.4%时，焊接接头淬硬倾向大，可能出现冷裂纹，而15CrMo钢的Ceq值达0.542%，故15CrMo钢的淬硬倾向大，焊接性差，因此15CrMo钢焊接时，焊接材料的选择和严格的工艺措施，对于防止裂纹，保证使用性能至关重要。

2． 焊接工艺

 2.1 焊接材料

针对15CrMo钢的焊接性及构件的工作特点，保证构件在高温条件下长期安全的运行。查阅焊接手册及相关资料，根据耐热钢焊接接头应具有与母材基本相等的室温和高温短时强度、高温持久强度及焊缝金属的合金成分和含量应下母材基本一致的性能要求，确定了焊接材料。

手工电弧焊选用E5515-B2型焊条，埋弧自动焊选用H13CrMoA+HJ431焊接材料进行了焊接工艺评定试验。以32mm厚钢板手工电弧焊对接焊缝为例。

E5515-B2型焊条的化学成分及力学性能如表2示：

E5515-B2型焊条的化学成分及力学性能 表2

2.2 焊前准备

2.2.1 坡口制备

试件采用15CrMo—32mm钢板,规格为-32×150×800＝2，坡口型式及尺寸见图1。坡口加工采用氧－乙炔火焰切割法，为防止厚板火焰切割边缘的开裂，切割前应预热到100℃以上。试件下料后须对切割边缘用磁粉探伤法检查是否存在表面裂纹，拼接前对坡口及两侧50mm内彻底清除表面铁锈、油污、氧化物等杂质至露出金属光泽。

2.2.2 焊条烘焙

E5515-B2型焊条为低氢型碱性药皮焊条，容易吸潮，而焊接材料中的水分是焊接气氛的主要氢源。氢是焊缝产生延迟裂纹的有害化学元素，因此焊条在使用前必须按规定的制度烘干，且随用随取。

E5515-B2型焊条烘干制度如表3示：

E5515-B2型焊条烘干制度 表3

2.3 焊接工艺参数

2.3.1 焊前预热

试件焊前需进行预热，根据Tto-Bessyo等人提出的计算预热温度公式：
To=350（℃）

式中：

To——预热温度，℃。
[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——成分碳当量；
[C]p——尺寸碳当量；

S——试件厚度（本文中S=32mm）;
[C]x=C+（Mn+Cr）/9+7 Mo /90=0.361
[C]p=0.058 则To=144℃

因此预热温度选为150℃。采用氧-乙炔焰对试件进行加温，先用测温笔粗略判断试件表面的温度（以笔迹颜色变化快慢进行估计），最后用半导体点温计测定，测量点至少应选择三点，以保证试件整体均达到所要求的预热温度。

2.3.2 工艺参数

施焊采用双面多层焊，施焊层次见图2，工艺参数如表4示。

焊接工艺参数 表4

2.3.2 层间控制

焊接时要严格控制层间温度，层间温度控制在200～300℃之间。焊接过程中要做到边预热边焊接边保温。背面用碳弧气刨清根，操作前预热。刨削坡口根部半径不小于6mm，坡口角度不小于20°，清根后修磨平整并除去渗碳层，进行焊接。

2.3.3 焊接后热

试件焊后按层间温度作2~3h的低温后热处理,以消除焊缝中的扩散氢。焊后试件温度不低于300℃时，可直接覆盖硅酸铝棉层保温缓冷，焊件温度低于300℃度时加热到300℃度以上，再覆盖硅酸铝棉层保温缓冷。

2.4 无损检测

试件焊后按《NB/T 47013-2015 承压设备无损检测》标准进行100%的超声波探伤检验，焊缝Ⅰ级合格。

2.5 焊件退火

超声波探伤检验合格后及时对焊缝部位进行局部退火处理，以消除焊接残余应力。退火工艺为：升温速度为150℃/h，升到650℃保温1.5小时，降温速度100℃/h，降到300℃后空冷。

具体采用LCD33-220型履带式电加热器（860×260）覆盖焊缝，用硅酸铝棉层保温，保温层厚度50mm，采用LWK-3×220-A型温控电源箱自动控制温度，用XWGJ-101型自动平衡记录仪记录曲线。

退火工艺见图3。

1． 焊接工艺评定试验

按《NB/T47014-2011承压设备焊接工艺评定》标准进行焊接工艺评定试验。

3.1 试件取样

退火处理后，对试板进行取样，取2个拉伸试样，4个侧弯、3个焊缝冲击试样、3个热影响区冲击试样。氧气切割的尺寸为：冲击试样的宽度为60mm，拉伸试样为70mm,弯曲70 mm、金相50 mm。每件试件都要做好标记，以便区分。

3.2 试样热处理

对试样进行正火+回火的热处理，依据原材料的含碳量在铁碳合金状态图确定正火、回火工艺的温度范围，根据试样的的规格尺寸及质量由经验确定升温速度和保温时间。正火900～920℃/1.5h，回火650±10℃/2h。

3.3 工艺评定

对热处理好的试样按标准要求进行机加工，达标后转入理化实验室进行力学性能试验，

评定结果见表5。

焊接试件试验报告 表5

2． 结论

锅炉钢架结构工程现已顺利完工，实践证明15CrMo钢中厚板的焊接采用上述焊接方案可行。为了保证焊缝性能同母材匹配且具有较高的热强性，关键是要严格焊接工艺过程，控制好焊前预热、层间温度、焊缝后热以及正火、回火热处理等工艺。