80mm厚15CrMoR钢壳体窄间隙埋弧焊工艺研究

80mm厚15CrMoR钢壳体窄间隙埋弧焊工艺研究

孙志辉1，王金涛2，孔建2

1、冰轮环境技术股份有限公司，山东烟台，264000    2、烟台工程职业技术学院，山东烟台，264006；

摘要：在对80mm厚15CrMoR耐热钢壳体结构的分析基础上，选用窄间隙埋弧焊进行高效焊接，通过进行相关工艺试验，选取出合理、有效的工艺措施。有效的防止了气孔、焊接裂纹等缺陷的产生，满足了产品质量要求。

关键词：15CrMoR；壳体；窄间隙；埋弧焊；工艺研究

冰轮环境技术股份有限公司承接了一台热风炉余热大型换热器的制作任务，按照技术文件要求，该换热器工作温度约为340℃，工作时最大压力约为8.5MPa，属于二类压力容器，基于工作时的压力和温度都相对较高，所以该换热器的筒体等主要承压元件须选用耐高温材料制造，确定选用15CrMoR-N+T-II级材质，选用8000*3000*80（长*宽*高，单位：mm）钢板卷制、拼接制作壳体，拟采用埋弧焊作为壳体焊接方式。我们在生产之前进行相应的工艺试验，研究确定最优的焊接工艺方案，以确保产品质量。

1.焊接方法分析及设备选型

壳体厚度为80mm，属于厚板焊接，为保证壳体熔透需要开坡口焊接，通常采用的是U型或者V型坡口，虽然这两种坡口形式便于加工，但是在生产过程中由于焊口间隙较大，会直接导致需要焊接的层数、填充层及盖面层的焊接道数的数量增加，使得焊缝金属填充量增加，焊丝消耗量巨大，结构焊接的时间也会变长，生产效率低，此外，在多层次重复焊接过程中，反复对焊口部位进行加热，结构中焊接应力较大，严重的会产生较大的焊接变形，且焊接变形很难控制，重复加热也会极大的降低焊接热影响区的韧性。再考虑到熔合比因素，熔化后的焊丝占焊缝金属比例较高，不利于焊缝金属成分及组织的整体控制。基于以上因素，拟采用窄间隙埋弧焊工艺对该结构进行焊接。

与常规U型或者V型坡口相比，窄间隙埋弧焊须采用工艺垫板或者先进行打底层焊接，根据焊丝直径及保护嘴的规格合理设置根部间隙，通常采用I型或U型窄间隙坡口，在板材对接面上开很小的坡口角度（一般不大于10°），其焊材消耗量少、热输入量低、可节省大量填充金属和焊接时间；与常规坡口埋弧焊相比，能节省约30%左右的焊接耗材，由于需填充的金属量减少，极大的缩短了焊接时间，使得焊接总效率最大可提高50%，从而大大的减少了焊接成本；此外由于整体受热时间短，可以降低焊接应力，并且焊缝金属中积聚的氢、氮、氧等有害杂质也较少，焊缝具有较高的冲击韧性，从而提高焊接质量。可以实现高质量、低成本、高效率得焊接。

该结构件采用ESAB窄间隙埋弧自动焊设备进行焊接，该系统可实现换热器壳体的的纵、环缝焊接，最大焊接工件厚度可达400mm。可以满足该结构的壳体等部位焊接。

2.焊接性分析及焊材选型

15CrMoR是一种典型的珠光体组织耐热钢，中温抗氢压力容器用钢，其化学成分见表1，在550℃以下时，其持久强度较高。80mm厚 15CrMoR板的抗拉强度≈500MPa，伸长度≈18%，高温力学性能良好，具有抗高温氧化性能、抗腐蚀性能，同时具有良好的冲击韧性和工艺性能，可采用正火、调质等热处理加工方式以提高其塑性和冲击韧性。但由于Cr、Mo等合金元素的存在，在焊接过程中具有较大的淬硬倾向，容易产生焊接裂纹。在实验过程中发现其冷却速度与淬硬倾向成正比。此外，由于强碳化物形成元素的存在一级焊接应力的共同作用，该钢种在焊接后再次加热过程中也很容易出现裂纹。实验表明，焊接热输入的大小及焊后热处理方式对裂纹的产生都具有很大影响。

表1   15CrMoR主要化学成分一览表  %

根据等性能、等强度、等条件的焊材选用原则，采用Cr、Mo元素相当的H08CrMoA耐热钢焊丝进行焊接，采用∅4.0直径焊丝，配合粒度为0.2～0.28mm的F48PO-H08CrMoA氟碱型烧结型焊剂进行壳体的纵、环缝焊接。

3.坡口形式及焊接工艺参数选择

由于壳体板材厚度为80mm，且壳体焊缝多为环、纵缝形式，考虑到加工的方便性及焊接质量可靠性，采用窄间隙V型坡口，坡口宽度20±2mm，坡口角度：3°±0.5°，背部带陶质衬垫焊接，焊前对坡口面及两侧25mm范围内清理，去除油污锈垢杂质，打磨出金属光泽后，用丙酮擦洗。焊接前对焊剂烘干，烘干温度300～350℃，烘干2小时。

基于表1，计算15CrMoR钢材的碳当量约为0.53%，须在焊前对和焊口预热以降低材料的淬硬倾向，避免产生冷裂纹。预热温度的计算参照下列公式选取。

预热温度(T)=-214+324Pcm+17.7[H]+0.014+4.73

其中：Pcm=C+A(c)[Si/24+Mn/16+Cu/15+Ni/20+(Cr+Mo+V+Nb)/5+5B](%)

甘油法测定熔敷金属扩散氢含量约为1.5cm3/100g，带入公式计算，最终确定焊前预热温度为180~200℃，采用氧炔焰对焊口预热，预热宽度大于焊口两侧100mm。

采用直流反接法，焊接电流550～600℃，焊接电压32～36V，焊接速度0.5-0.6m/min。

焊接过程中，层间温度的控制以预热温度为标准，确定层间温度为180～200℃。

焊接完成后，及时进行后热处理以保证有效地防止冷裂纹的产生。后热温度根据公式T(C)= 455.5[Ceq]p-111.4确定。

[Ceq]p= C+0.2033Mn+0.0473Cr+0.1228Mo+0.0292Ni+0.0359Cu-0.0792 Si -1.595 P+1.692S+0.844V。

最终确定后热温度为240～300℃，保温时长2小时。

4.焊后热处理

厚板埋弧焊过程中由于热输入较大，焊口及热影响区位置的材料组织粗大，同时焊接完成后会在结构件内部产生较大的焊接残余应力，为了保证焊后结构在高温下能够保持良好的力学性能，需对焊缝进行焊后热处理，热处理温度630±15℃，保温时长≥6小时。

5.易产生的焊接缺陷

在反复实验过程中，容易出现的焊接缺陷主要有咬边、未熔合、气孔等。

（1）焊丝的侧边距过小，或因抖动、焊丝紊乱等原因导致焊丝侧边距不稳定，以及电压过高、焊接速度过慢的时候，会使大量母材金属被热量熔化，熔化后的母材金属堆集在焊道上，容易在母材金属侧壁上形成凹槽，且有较高的焊道高度，在每层两道焊接时造成搭接不好，中间容易夹渣，未熔合等现象出现，在焊接过程中不易脱渣，容易引起焊缝咬边、未熔合、夹渣等现象。

（2）焊接过程中速度过快、焊剂颗粒过细，以及焊剂覆盖过厚时，焊剂熔化较快，会增大液态熔渣的排斥阻力，容易造成焊道窄而高导致未熔合现象，结构预热不充分或者焊接电压低，焊接电流过大时，母材不能及时熔化，焊丝熔化较快形成较多的填充金属，焊缝表面窄而高，容易引起焊道熔合合不良及焊缝夹渣。

（3）焊剂烘干不充分或者焊剂厚度过低、焊剂颗粒较大时时，熔化的焊道金属容易受到焊剂及空气中氢分子的影响，在焊道中形成串珠状的氢气孔。

6.工艺评定结论

按照NB/T47013.2标准要求，严格控制焊接过程中对于预热温度、层间温度、后热及焊后热处理等要求，焊后对焊缝进行100%X射线检测，同时根据《承压设备焊接工艺评定》对焊缝抽检样品进行工艺评定，测定其强度、塑性、冲击韧性等力学指标均符合使用要求。充分表明对于80mm厚15CrMoR钢壳体窄间隙埋弧焊所选取的焊接工艺合理可行，该工艺对于厚板的耐热钢壳体环、纵缝窄间隙埋弧焊焊接具有一定的指导意义，在厚板耐热压力容器制造中具有一定的推广价值。

参考文献：

【1】刘云龙.焊工技师手册.北京：机械工业出版社，1998.

【2】张礼敬，张明广.压力容器安全.北京：机械工业出版社，2012

【3】曹朝霞.特种焊接技术.北京：机械工业出版社2014.