12Cr5Mo耐熱合金鋼焊接工藝

張西雷，王 強(qiáng)，劉彥青

中國(guó)石油天然氣管道第二工程有限公司，江蘇徐州 221006

耐熱鋼是抗氧化鋼和熱強(qiáng)鋼的總稱?？寡趸撚址Q不起皮鋼或熱穩(wěn)定鋼，它在高溫下能抵抗氧化和其他介質(zhì)的侵蝕，并有一定的強(qiáng)度，其工作溫度可高達(dá)900 ～1 100 ℃；熱強(qiáng)鋼在高溫下具有較高的強(qiáng)韌性和一定的抗氧化性，其工作溫度可高達(dá)600 ～ 800 ℃[1]。

12Cr5Mo 是一種含有粒狀珠光體組織和少量鐵素體的具有較好的高溫耐熱性和高溫抗氧化性的鋼材，供貨狀態(tài)下其力學(xué)性能良好。但鋼材焊后淬硬傾向明顯增大，沖擊韌性降低，極易出現(xiàn)冷裂紋，焊接性能差，故對(duì)焊接工藝要求嚴(yán)格，需采取焊前預(yù)熱、焊后熱處理等工藝措施確保焊接質(zhì)量[2]。

12Cr5Mo 鋼管有兩種供貨狀態(tài)，即12Cr5MoⅠ和12Cr5MoNT。符號(hào)“Ⅰ”和“NT”屬于鋼牌號(hào)的一部分，表示鋼管的交貨狀態(tài)，其中“Ⅰ”為完全退火或等溫回火，“NT”為正火加回火[3]。本文以12Cr5MoⅠφ219 mm×10 mm 的鋼管為例，介紹12Cr5Mo 耐熱合金鋼的焊接工藝。

1 12Cr5MoⅠ耐熱合金鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能

12Cr5MoⅠ耐熱合金鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1，力學(xué)性能見(jiàn)表2[3-5]。

2 焊接方法及填充材料

為保證焊接質(zhì)量，提高焊接工作效率，根據(jù)12Cr5MoⅠ耐熱合金鋼的焊接性能，焊接方法選用鎢極氬弧焊根焊，焊條電弧焊填充、蓋面。

為使焊接接頭具有與母材相當(dāng)?shù)母邷貜?qiáng)度及高溫抗氧化性，填充材料選用GB/T 8110—2008 中規(guī)定的ER55—B6（H1Cr5Mo）鎢極氬弧焊焊絲和GB/T 5118—2012 中規(guī)定的E5515—5CMV 低氫型焊條。其化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見(jiàn)表3～6[6-7]。

表1 12Cr5MoⅠ耐熱合金鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%

表2 12Cr5MoⅠ耐熱合金鋼的力學(xué)性能

表3 ER55-B6 焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%

表4 ER55-B6 焊絲的力學(xué)性能

表5 E5515-5CMV 焊條化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%

表6 E5515-5CMV 焊條的力學(xué)性能

3 焊前清理及組對(duì)

管口組對(duì)前，應(yīng)將坡口表面及其兩側(cè)母材內(nèi)外表面不小于20mm范圍內(nèi)的氧化物、油污、熔渣、毛刺及其他有害雜質(zhì)清理干凈，坡口形式及尺寸見(jiàn)圖1。

圖1 坡口形式及尺寸

采用與根焊相同的焊接材料、焊接工藝參數(shù)進(jìn)行定位焊，定位焊縫的長(zhǎng)度、厚度和間距應(yīng)能保證在正式焊接過(guò)程中不開(kāi)裂，每道焊口定位焊縫不得少于2 處，焊縫的長(zhǎng)度以10 ～15 mm 為宜。定位焊縫應(yīng)平滑過(guò)渡到母材，焊縫兩端需磨削成斜坡并保證焊透及熔合良好，且無(wú)氣孔、夾渣等缺陷。

在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，當(dāng)進(jìn)行鎢極氬弧焊時(shí)風(fēng)速大于2 m/s 或焊條電弧焊時(shí)風(fēng)速大于5 m/s，空氣相對(duì)濕度大于90%，或遇到雨、雪環(huán)境等時(shí)，應(yīng)采取保護(hù)措施，否則不得施焊[8]。焊前應(yīng)檢查焊接設(shè)備處于完好狀態(tài)，檢查氬氣余量，確保氣體充足。

焊條E5515-5CMV 應(yīng)按要求進(jìn)行烘干，烘干溫度為350 ～400 ℃，保溫1 ～2 h。焊條經(jīng)烘干后，應(yīng)放置在100 ～150 ℃的保溫筒內(nèi)隨用隨取，焊條在空氣中暴露時(shí)間超過(guò)4 h 后應(yīng)重新進(jìn)行烘干，重復(fù)烘干次數(shù)不得超過(guò)2 次。焊絲表面若有油污，使用前應(yīng)進(jìn)行清理。

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焊前按要求均勻預(yù)熱坡口兩側(cè)，預(yù)熱溫度應(yīng)不小于200 ℃，預(yù)熱范圍為以坡口為中心兩側(cè)各100 mm[9]。

4 焊接

焊件達(dá)到預(yù)熱溫度后應(yīng)立即進(jìn)行焊接，焊接過(guò)程中道間溫度不得低于預(yù)熱溫度。焊接時(shí)應(yīng)對(duì)焊縫背面進(jìn)行內(nèi)充氬保護(hù)，至少焊接完成三層后方可終止內(nèi)充氬。采用鎢極氬弧焊時(shí)，焊絲前端應(yīng)置于保護(hù)氣體中，多層焊時(shí)每層的焊接接頭應(yīng)錯(cuò)開(kāi)，并清理道間和層間影響焊接質(zhì)量的雜質(zhì)，焊接過(guò)程中不允許中斷焊接。中斷焊接時(shí)，應(yīng)采取后熱措施[9]。焊接所用工藝參數(shù)見(jiàn)表7。

表7 12Cr5MoⅠ耐熱合金鋼焊接工藝參數(shù)

5 外觀檢查

焊接完成后對(duì)焊縫表面進(jìn)行外觀檢查，焊縫外觀應(yīng)成形良好，焊縫表面無(wú)裂紋、氣孔、夾渣、弧坑、凹坑及未焊滿等缺陷。焊縫能夠與母材圓滑過(guò)渡，焊縫余高為1.0 ～2.5 mm，焊縫表面寬度比坡口兩側(cè)各增寬0.5 ～2.0 mm，焊道表面要求深度不超過(guò)0.3 mm。

6 焊后熱處理

12Cr5Mo 鋼焊接完成后立即進(jìn)行焊后熱處理，焊后熱處理溫度為700 ～760 ℃。熱處理加熱升溫至300 ℃后，加熱速度不大于220 ℃/h。加熱到規(guī)定溫度后保溫0.5 h。恒溫期間各測(cè)溫點(diǎn)的溫度均在規(guī)定的熱處理溫度范圍內(nèi)，其偏差不超過(guò)50 ℃。恒溫后的冷卻速度不大于260 ℃/h，冷卻至300 ℃后自然冷卻。焊后熱處理的加熱、保溫、冷卻溫度應(yīng)采用熱電偶進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，采用自動(dòng)溫度記錄儀進(jìn)行記錄[10]。

焊縫若不能立即進(jìn)行焊后熱處理時(shí)，焊接完畢后應(yīng)立即進(jìn)行后熱，后熱溫度為200 ～350 ℃，保溫時(shí)間不應(yīng)少于30 min。后熱加熱范圍為焊縫兩側(cè)各不小于焊縫寬度的3 倍，且不小于25 mm。后熱加熱范圍以外100 mm 部位應(yīng)保溫[9]。

7 無(wú)損檢測(cè)

無(wú)損檢測(cè)按照NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》執(zhí)行，進(jìn)行100%射線檢測(cè)，Ⅱ級(jí)合格。無(wú)損檢測(cè)不合格的焊縫可進(jìn)行返修，用砂輪機(jī)打磨或碳弧氣刨進(jìn)行缺陷清除，并經(jīng)滲透或磁粉檢測(cè)確認(rèn)缺陷完全清除后方可進(jìn)行焊接。同一部位的返修次數(shù)不得超過(guò)2 次。對(duì)已完成熱處理的焊接接頭進(jìn)行返修時(shí)，返修后應(yīng)重新進(jìn)行熱處理。

8 力學(xué)性能試驗(yàn)及硬度試驗(yàn)

焊接接頭根據(jù)NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》要求進(jìn)行拉伸、彎曲、沖擊試驗(yàn)，并對(duì)焊接接頭進(jìn)行硬度測(cè)試。

8.1 拉伸試驗(yàn)

根據(jù)要求分別從平焊、仰焊位置取樣、加工，并進(jìn)行試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)按GB/T 228.1—2010 規(guī)定的試驗(yàn)方法測(cè)定焊接接頭的抗拉強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

8.2 彎曲試驗(yàn)

根據(jù)要求從管周向45°位置截取側(cè)彎試樣4件。按要求加工并進(jìn)行試驗(yàn)，彎曲試驗(yàn)按GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

8.3 沖擊試驗(yàn)

根據(jù)要求分別從立焊位置取沖擊試樣4 組。按要求加工并進(jìn)行試驗(yàn)，沖擊試驗(yàn)按GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

8.4 硬度試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》要求，對(duì)焊后熱處理的焊接接頭進(jìn)行布氏硬度檢驗(yàn)，硬度測(cè)試位置包括焊縫、熱影響區(qū)及其附近的母材，硬度測(cè)試位置示意見(jiàn)圖2，硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表11。

圖2 硬度測(cè)試位置示意

表11 硬度值HBW 測(cè)試結(jié)果

9 結(jié)束語(yǔ)

介紹了耐熱合金鋼12Cr5Mo 的化學(xué)成分、力學(xué)性能，根據(jù)12Cr5Mo 的力學(xué)性能及焊接特點(diǎn)，選擇了合適的焊接方法、填充金屬、坡口形式及尺寸；通過(guò)焊前清理、焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化、預(yù)熱溫度及層間溫度的控制以及接頭焊后熱處理，確保了焊縫質(zhì)量。外觀檢查、無(wú)損檢測(cè)、焊接接頭的拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)及硬度試驗(yàn)表明，采用鎢極氬弧焊根焊，焊條電弧焊填充、蓋面焊接工藝焊接的12Cr5MoⅠ耐熱合金鋼焊接接頭的各項(xiàng)指標(biāo)合格，焊接質(zhì)量可靠，滿足焊接工藝評(píng)定及設(shè)計(jì)文件要求。

耐熱合金鋼的焊接過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格按工藝要求進(jìn)行預(yù)熱，控制道間溫度，焊后應(yīng)立即進(jìn)行焊后熱處理，不能進(jìn)行焊后熱處理的應(yīng)立即進(jìn)行后熱處理，以確保焊接接頭的性能。不合格的焊縫應(yīng)進(jìn)行返修，返修后的焊縫應(yīng)重新進(jìn)行熱處理及硬度檢測(cè)。