苏志明

（沧州渤海石化工程有限公司 河北 沧州 061000）

0 概述

15CrMoR钢系珠光体组织耐热钢，在高温下（一般不超过600℃）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，在石油化工等行业中的应用日趋广泛。但由于钢中含有较高含量的Cr、C和其它合金元素，钢材的淬硬倾向较明显，焊接性差，其主要问题是热影响区硬化，冷裂纹及焊后热处理时产生再热裂纹。我厂重油催化改造中油气大管部分选用15CrMoR钢，规格Φ720×12mm。现对该钢种的可焊性、工艺参数及其热处理进行分析、设定，以为其实际施工做理论支持。

1 可焊性分析

1.1 本次试验采用15CrMoR（δ=12mm）板材，其化学与机械性能如表1

表1

机械性能：σs=415MPa，σb=550MPa

供货状态：正火+回火

1.2 15CrMoR的冷裂倾向分析

15CrMoR是以Cr－Mo为基的低合金耐热钢，一般都在热处理状态下焊接，钢中加入的Cr、Mo等元素一方面增加了钢中碳化物的形成能力，一方面增加了钢的淬硬性，造成焊接接头的冷裂敏感性增大。按目前应用较多的碳当量计算公式可计算出15CrMoR钢的碳当量。

根据经验，碳当量在0.4-0.6%之间的钢材焊接性较差，焊接时须采用预热及焊后热处理等工艺措施以防止焊接冷裂纹的产生。

1.3 再热裂纹敏感性分析

根据再热裂纹的产生机理学说，对珠光体耐热钢15Cr-MoR的再热裂纹倾向进行计算。

1）晶内沉淀强化作用理论分析

此理论基于Cr、Mo、V、Ti、Sb等元素形成的碳化物、氮化物，以及镍基合金中的沉淀相（γˊ相、Ni3（Al、Ti）），在一次焊接热作用下，因受热而固溶（高于1100℃），在焊后冷却时却不能析出这些碳、氮化物及沉淀，使晶内强化。使应力松弛所需的塑性变形就集中于晶界，当晶界的塑性不足时，就会产生再热裂纹。

2）利用以低合金耐热钢1Cr-0.5Mo及0.5Mo-1Cr为研究对象而得的公式进行分析如下：

（当PSR＞0时易裂）

由以上分析可知，其存在一定的再热裂纹倾向，所以在选用焊接工艺时应考虑其有害影响，以防再热裂纹的出现。

1.4 预热温度的确定

由于15CrMoR存在一定的冷裂纹和再热裂纹倾向，所以在工艺上采取一定的预热，将对其起到好的抑制作用。

按国产低合金钢的预热计算公式，可初步确定15CrMoR的焊前预热温度。

式中：冷裂纹敏感指数

H:焊缝中的扩散氢含量（mL/100g），取7 mL/100g

h：板厚（mm）

可计算出：T（℃）=210.4℃。

对于Cr-Mo系列合金耐热钢，预热温度并非越高越好。如果高于马氏体转变结束点Mf的温度，那么当焊件完成最终的焊后热处理时，将残留部分未转变的奥氏体，除非焊件的冷却过程加以严格控制，不然就有可能转变成马氏体组织，从而失去了焊后热处理的作用，所以生产中应选预热温度为150-200℃为宜。

1.5 后热温度的选择

后热作为焊接工艺的一种必要手段，不仅能消氢，减小冷裂倾向，也能韧化HAZ和焊缝。而且后热不象局部预热那样产生附加的拉伸应力，并比预热能改善劳动条件，所以在施工中是一项比较有利的工艺措施。具体后热温度可经过计算而得，如下所示：

由此可知，所需后热温度较低，所以在一般情况下不需后热即可满足此条件，因此在工艺上可以取消后热。

2 15CrMoR的工艺试验

15CrMoR钢板焊接接头的力学性能的优劣与焊接时工艺措施执行情况有密切的联系，为了验证所拟定的工艺参数的合理性、正确性，我们将按以下方案进行焊接工艺试验。

2.1 下料：试件尺寸600×150×12由剪板机、刨边机进行机械加工坡口。坡口尺寸为：坡口角度60°，钝边2mm。

2.2 预热：预热温度150℃，采用远红外焊材烘干箱进行整体加热。

2.3 焊接：焊材选用E5515-B2（R307）焊条，规格Φ3.2；工艺参数取焊接电流90－130A，电弧电压20－23V，焊接速度13－

15cm/min，直流反接，环境温度22℃；层间（包括清根）温度保持在150-200℃左右，焊后立即覆盖保温石棉。

2.4 焊后热处理：24小时内高温回火。640-680℃×1h

焊后各项检查结果如下表2所示。

表2 试验结果

通过试验，可以看出热处理可以改善焊接接头的塑性、韧性还是有较大的影响。

3 15CrMoR的工艺规程

结合我厂实际生产特点，以及我厂实际施工中人员、机具的现有能力，对于15CrMoR中板的焊接，我们选定Φ3.2的E5515-B2的手工电弧焊有较强的适应力。根据以上的理论分析和试验结果，现对中板15CrMoR给出焊接工艺参数和热处理规范如下。

焊条直径Φ3.2，焊接电流90~130A，电弧电压20~23V,预热温度150~170℃，层间温度150~250℃。

表3 焊后热处理规范

4 小结

4.1 经试验证明，我们所制定的焊接工艺是合理、正确的，完全可以满足生产需要。

4.2 5CrMoR钢在制作压力容器或压力管道过程中，凡动火工序（切割、下料、点固、焊接、开孔、返修）均是在预热后进行，因此控制各工序及各阶段的加热温度是保证产品质量的关键。

4.3 为了降低制作成本，减少质量隐患，应尽量减少和避免不必要的“动火”工序，坡口尽量采用机械加工，禁止在非焊处随意引弧，同时每条焊缝应连续焊完。

4.4 焊后需进行后热处理，这对改善焊缝组织、性能大有好处。

［1］期重遥.焊接手册：第2卷 材料的焊接[M].机械工业出版社.

［2］周振丰.焊接冶金与金属焊接性[M].机械工业出版社.

［3］崔忠圻.金属学与热处理[M].机械工业出版社.

［4］GB150-2011钢制压力容器[S].中国标准出版社.

［5］HG20581-1998钢制化工容器材料选用规定[S].