15CrMo管道藥芯焊絲CO2氣體保護焊根焊工藝性能研究

（蘭州石化職業技術學院，甘肅 蘭州730050）

0 前言

目前在石油化工裝置中的高溫工藝管線、焦化爐、常壓爐以及順酐反應器管道等大量使用1Cr-0.5Mo及1.25Cr-0.5Mo（如15CrMo、12Cr1MoVG）等低合金珠光體耐熱鋼。這類鋼具有良好的抗硫化物腐蝕和抗氫腐蝕能力，因此在石油化工設備制造中廣泛應用[1]。目前其焊接施工主要采用鎢極惰性氣體保護焊、焊條電弧焊或氬電聯焊的方法。采用焊條電弧焊直接進行打底，由于背面成形不易控制且焊接質量受焊接操作人員技能影響大，存在打底焊接質量不穩定的缺點；采用鎢極氬弧焊根焊，為了保證良好的背面焊道成型，避免產生氣孔，采用背面保護且焊接效率較低，成本偏高、工人勞動強度較大等問題較為突出。特別是在特殊位置管道焊接、偏僻地區的涉外工程建設中，充氬困難、氬氣供應稀缺（如高空管道的焊接需要氬氣）,實際施工困難會導致無法進行背面的充氬保護焊接，從而嚴重影響焊接質量和工程進度。

藥芯焊絲是近幾十年發展起來的新型焊接材料，它兼備了焊條電弧焊的優良工藝性能和CO2實心焊絲氣體保護高效率自動焊的優點；在電弧高溫作用下，藥芯中各種物質造氣、造渣，對熔滴和熔池是氣、渣聯合保護。明顯改善了焊接工藝性能，熔滴呈噴射過渡，飛濺小，焊縫成型美觀，適合全位置焊接。熔敷速度高于CO2實心焊絲，是焊條電弧焊的4倍左右。連續的焊接過程使焊機空載損耗降低；焊接電流通過很薄的金屬外皮，其電流密度大，增加了電阻熱，提高了熱源利用率，綜合節能20%-30%（與焊條電弧焊相比）。單位長度焊縫其綜合成本明顯低于焊條電弧焊，而且略低于實心焊絲。因此，采用藥芯焊絲氣體保護焊進行耐熱鋼工藝管道焊接背面不充氬氣體保護焊根焊工藝試驗研究，不僅能夠保證管道焊接質量、工程進度，而且可以提高工程施工效率，達到降低成本的目的。

1 母材焊接性分析及焊接工藝分析

1.1 母材焊接性特點[2]

珠光體耐熱鋼的焊接性與低合金高強鋼相近，焊接中存在的問題主要是冷裂紋、熱影響區硬化和軟化，以及焊后熱處理或高溫長期使用中的再熱裂紋，在高溫下具有較高的熱強性(δb≥440 MPa)和抗氧化性，并具有一定的抗氫腐蝕能力。由于鋼中含有較高含量的Cr、C和其它合金元素，Ceq= C+Mn /6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 =0.545%，鋼材的淬硬傾向較明顯，焊接性較差。

1.2 焊接工藝選用

金屬粉芯焊絲是由薄鋼帶包裹粉劑組成，電流主要從鋼帶通過，其電流密度大，熔化速度快，同時焊芯中含有大量的鐵粉、鐵合金和金屬粉，非金屬礦物含量很少，因此它比實芯焊絲和熔渣型藥芯焊絲具有更高的熔敷速度，較高的熔敷效率，熔渣量少，焊接飛濺少，焊后無需清理，焊縫成形圓滑平整，提高了抗腐蝕及抗硫、硫化氫性能。保護氣體分別為100%CO2和富氬（80%Ar+20%CO2）,采用試驗根焊電源為Miller Pipe Pro 450 RFC，該設備具有RMD（精確短路控制）技術[5,6]，通過提早檢測焊絲短路，控制并減少焊接電流上升速度，控制熔滴過渡的飛濺和電弧吹力的大小，保證熔池的穩定，使熔滴過渡迅速而有規律，從而形成高質量的焊縫[8]。

2 焊接工藝評定試驗

焊接工藝評定按NB/T 47014-2011 《承壓設備焊接工藝評定》，試驗采用15CrMo 耐熱鋼管材，15CrMo鋼化學成分及力學性能見表1，規格為φ114×12 mm，焊接試驗位置立焊，預熱溫度≥150℃，層間溫度≥200℃，進行焊后熱處理：650-700℃×90 min，緩冷。坡口形狀如圖1所示。

表1 15CrMo鋼化學成分及力學性能

焊接試驗準備見表2，焊接工藝參數記錄見表3，圖2是焊接耐熱鋼現場照片，焊縫外觀成形見圖3、圖4。

焊接工藝操作特點：

采用立向下焊連弧打底，調整好參數，當熔孔熔池形成后，使用直線往復運條手法托著熔池前行，焊絲無需擺動，控制焊絲干長8～12 mm，根焊接頭時，把接頭處打磨出緩坡狀，以保證焊縫背面成型良好。

圖1 坡口形式

圖2 采用RMD技術焊接耐熱鋼現場照片

編號D 焊接飛濺較小，成形良好，背面焊道斷弧焊時成形不易突出（焊縫余高低），焊接熔池易掌握；編號E 組為保證層間熔合良好，需要將打底焊道的接頭處打磨到和焊縫其它部位齊平，不得有凸起部位。焊槍和焊道表面垂直，在仰焊部位焊槍的擺動幅度要合適，兩側停留時間20ms，焊絲干伸長保持8-12mm，焊道厚度保持2.5mm左右。

表2 15CrMo 金屬粉芯藥芯焊絲氣體保護焊根焊準備

表3 15CrMo 熔化極氣體保護焊的焊接工藝參數

3 試驗檢測結果

圖3 合伯特（D）100% CO2 打底焊縫成形照片

圖4 合伯特（E）80%Ar+20%CO2 打底焊縫成形照片

3.1 無損檢測結果

由于受管徑影響較大，采用熔化極氣體保護焊工藝進行根焊，存在操作死角部位，焊工焊接技能需進一步熟練提高，因此RT 合格率不穩定，在施工中可根據具體工況選擇合適的焊接工藝。無損檢測結果見表4。

表4 耐熱鋼藥芯焊絲打底免充氬RT 檢測

3.2 金相檢測

根據GB/T 26955-2011《金屬材料焊縫破壞性試驗焊縫宏觀和微觀檢驗》對焊縫進行微觀金相觀察，耐熱鋼焊縫顯微組織均為鐵素體+珠光體。圖7白中色為先共析鐵素體+較多珠光體組織，成分較為均勻；圖5、圖6、圖7中為較多珠光體+鐵素體和少量粒狀貝氏體，組織成分均勻。

圖5 15CrMo RMD 根焊（C）

3.3 力學性能試驗

根據標準GB/T 228.1-2010 《金屬材料_ 拉伸試驗_ 第1部分：室溫試驗方法》進行拉伸性能實驗，結果表明斷裂位置全部在母材上，抗拉強度達到要求；根據標準GB/T 232-2010《金屬材料彎曲試驗方法》 對焊縫試樣進行彎曲試驗；根據標準GB/T 2654-2008 《焊接接頭硬度試驗方法》對焊縫硬度進行測試。結果見表5。

據標準GB/T 229-2007 《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行沖擊試驗，試樣缺口分別取在母材、焊縫、熱影響區，試樣規格為10 mm×7.5 mm×55 mm。結果見表6。

通過對母材、焊縫、熱影響區的力學性能試驗表明，采用金屬粉芯CO2藥芯焊絲時其焊接接頭強度略有提高；由沖擊試驗表明，采用金屬粉芯藥芯焊絲CO2的常溫沖擊性能略高于實心焊絲焊接接頭。綜上所述，采用熔化極CO2氣體保護焊背面免充氬根焊打底+焊條電弧焊填充蓋面，其焊接接頭力學性能能夠滿足標準要求。

圖6 15CrMo RMD 根焊（D）

圖7 15CrMo RMD 根焊（E）

4 結論

耐熱鋼管道藥芯焊絲CO2氣體保護焊根焊的工藝性能試驗研究表明，在大口徑管道施工充氬困難、氬氣供應稀缺的工況下，采用藥芯焊絲根焊可以很好地解決管道背面充氬和提高根焊效率。通過對金屬粉芯型藥芯焊絲不同保護氣體的工藝性能，其力學性能可以達到或超過實心焊絲管內充氬的焊接質量。由于藥芯焊絲CO2氣體保護焊焊接速度快，當耐熱鋼管直徑小于100 mm時，由于焊工焊槍轉動曲率半徑增大，需要快速調節操作角度對焊工操作的難度加大，焊接質量不易保證；但當耐熱鋼管道直徑大于159 mm時，采用藥芯焊絲氣體保護焊進行管道免充氬根焊的焊接優勢明顯。

表5 15CrMo 藥芯焊絲和實心焊絲打底焊力學性能對比

表6 15CrMo 藥芯焊絲和實心焊絲打底焊沖擊性能對比

綜上，在大口徑耐熱鋼管道的連續焊接施工中，金屬粉芯型藥芯焊絲采用富氬（80%Ar+20%CO2）混合保護氣體條件下，具有熔敷效率高、熔渣少、電弧穩定的優點，可以顯著提高熔敷速度并保證焊縫力學性能，同時減輕層道間焊縫的清理工作，焊接操作中更易于觀察，更易控制熔池形狀，從而對加工和裝配尺寸的要求精度放寬，提高了勞動效率；在保護氣體為100%CO2的條件下，金屬粉芯型和熔渣型藥芯焊絲焊接工藝性能稍差，但通過選用合適的焊接材料和加強焊接操作人員的技能培訓，也能夠達到焊接要求。