15CrMo鋼熱成形焊接工藝研究

李艷霞 劉亮

15CrMo鋼已廣泛應用于石油化工壓力容器中，厚度在15～150mm之間，覆蓋范圍比較廣泛。為了研究其焊接工藝，我們選擇厚度為90mm的鋼板進行試驗，熱處理狀態為模擬熱成形+正火（加速冷卻）+回火+退火，為今后15CrMo熱成形的焊接提供了依據。

1 15CrMo鋼的焊接性

15CrMo鋼系珠光體組織低合金耐熱鋼，在高溫下具有較高的熱強性和抗氧化性，并具有一定的抗氫腐蝕能力。由于鋼中有較高含量的Cr、Mo和其他合金元素，鋼材的淬硬傾向較明顯，焊接性差。

（1）材料 材料的供貨狀態為正火+回火，材料化學成分及力學性能如表1、表2所示。

（2）冷裂紋 根據國際焊接學會（ⅡW）推薦的碳當量公式計算CE=0.547%＞0.45%，因此15CrMo焊接接頭淬硬傾向大，可能出現冷裂紋，焊接性差。基于此，15CrMo鋼焊接時，焊接材料的選擇和嚴格的工藝措施對于防止裂紋產生，保證使用性能至關重要。

（3）熱裂紋 低合金耐熱鋼焊接接頭的再熱裂紋（消除應力裂紋）主要取決于鋼中碳化物形成元素的特性及其含量以及焊接參數。通常可用PSR 裂紋指數粗略地表征一種鋼的再熱裂紋敏感性。15CrMo鋼PSR =－0.05，雖然－0.05＜0，但接近于0，故有可能產生再熱裂紋。況且再熱裂紋的形成還與焊接參數、接頭的拘束應力以及熱處理的制度有關。

表1 15CrMo鋼的化學成分（質量分數） （%）

表2 15CrMo鋼的力學性能

2 15CrMo鋼焊接缺陷預防措施

（1）冷裂紋的預防措施 ①選擇合適的焊接材料。②嚴格按照要求烘干焊條和焊劑。③清理坡口表面及坡口母材兩側30mm范圍內的油污、氧化皮和鐵銹等雜質，并對坡口進行100%磁粉檢測，Ⅰ級合格。④焊前預熱，嚴格控制道間溫度。⑤焊后立即后熱處理，降低焊接接頭拘束度，同時加快氫的逸出。

（2）再熱裂紋的預防措施①嚴格控制母材和焊材中加劇再熱裂紋的合金成分，應在保證鋼材熱強性的前提下，將V、Ti、Nb等合金元素的含量控制在最低的允許范圍內。②采用低熱輸入焊接方法和工藝，以縮小焊接接頭過熱區的寬度，限制晶粒長大。③合理設計接頭的形式，降低接頭的拘束度。④合理選擇熱處理工藝，盡量縮短在敏感溫度區間的保溫時間。

3 15CrMo鋼熱成形封頭的焊接工藝

（1）焊接材料 針對15CrMo鋼的焊接性及設備的工況特點，保證設備在高溫條件下長期安全地運行。低合金耐熱鋼焊后熱成形的焊接材料應選擇合金成分和強度級別較高的材料。為提高焊縫金屬的抗裂性，通常將焊接材料中的碳含量控制在低于母材的碳含量，硫、磷含量控制在較低水平。焊條電弧焊選用牌號為T Phoenix Cr1Mo SC（φ4.0mm）焊條，埋弧焊選用牌號為T Union SA Cr1Mo SC（φ3.0mm）+UV 420 TTR焊絲和焊劑，焊條和焊絲的化學成分如表3、表4所示。

（2）焊接過程 第一，焊前清理坡口及坡口兩側30mm范圍內的油污、氧化皮、鐵銹等雜質，并打磨出金屬光澤。焊前預熱最小溫度為150℃，最大道間溫度為230℃，焊接參數如表5所示。

第二，焊后立即進行消氫處理，溫度為200～300℃，時間為2h。

第三，焊后按照J B/T4730.3—2005對焊縫進行100%UT檢測，Ⅰ級合格。

（3）焊后熱處理及力學性能 第一，焊后模擬熱成形+正火（加速冷卻）+回火+退火。模擬熱成形加熱溫度（980±10）℃，保溫135min；正火加熱溫度（920±10）℃，保溫135m i n，水冷；回火加熱溫度（690±10）℃，保溫225 m i n；退火加熱溫度（660±10）℃，保溫540min。熱處理工藝曲線如附圖所示。

熱處理工藝曲線

表3 焊條T Phoenix Cr1Mo SC化學成分（質量分數） （%）

表4 焊絲T Union SA Cr1Mo SC化學成分（質量分數） （%）

表5 焊接參數

第二，經過一系列熱處理之后的力學性能如表6所示，滿足15CrMo鋼的材料標準要求，同時符合NB/T47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》。

表6 15CrMo鋼熱處理之后焊縫的力學性能

4 結語

通過分析15CrMo鋼的焊接性及焊接工藝評定，確定了合理的焊接參數和工藝措施，獲得了良好的焊接力學性能。

此焊接工藝在多個封頭中成功應用，各方面性能均滿足相關要求，為今后15CrMo鋼熱成形封頭的焊接提供了依據。20140510