(无锡市蓝天重工机械制造有限公司 无锡市 214174)
摘要：对15CrMoR的焊接性能分析，焊制工艺评定试件，通过试样试验结果来制定一整套适合分气缸的可靠的焊接工艺，并能满足工厂设备的加工制造能力和制造过程的经济性。
关键词：15CrMoR；分气缸；焊接工艺评定；焊后热处理
绪论：15CrMoR是一种以铬和钼（1Cr-0.5Mo型）为基础的珠光体低合金钢，供货状态为正火+回火，有着良好的抗氧化、抗氢腐蚀、抗脆化能力和耐高温性能（最高工作温度可达550℃）等，广泛的用于热电站动力发电设备、石油精炼设备、化工设备等，该材料在高温高压设备长期工作的可靠性和经济性方面得到了很高的体现。
我公司2019年为安徽某电厂制造一台压力容器--分气缸，该设备由华东院设计，设备设计压力2.6MPa,设计温度365℃，主体材质15CrMoR,直径Φ2200×40mm,接管材质15CrMoRⅢ锻件,焊缝系数1.0。设备封头进行拼接并热压成型，选用双面埋弧焊；主筒体选用双面埋弧焊；接管选用手工电弧焊的焊接方法。制定一套合理可行的焊接工艺是制造设备的成败关键。
1. 焊接性分析和焊接材料的选择
1.1 钢材的化学成分、力学性能和工艺性能（见表1）
表1 15CrMoR的化学成分、力学性能和工艺性能（GB713-2014）
1.2 钢材的焊接性分析
根据IIW（国际焊接协会）推荐的碳当量计算公式：
碳当量可作为焊接裂纹产生的判断的依据，随着碳当量的增大，钢材的淬硬倾向也逐渐变大，焊缝区域越容易产生冷裂纹。可以依据碳当量的大小确定是否需要预热及其他工艺。
15CrMoR的CE＞5%，淬硬倾向大，易产生冷裂纹。在焊接热循环决定的冷却速度下，40mm厚度的钢材易在焊缝和热影响区域形成冷裂纹敏感组织。此外，钢材中含有的Cr、Mo、V、Ti、Nb等强碳化物形成元素，使得接头的过热区域具有不同程度的再热裂纹敏感性。
15CrMoR的焊接性能较差，为了获得良好的焊接接头，焊接前必须采取预热，选用合适的焊接方法、热输入参数，并严格控制层间温度，焊后及时的消氢处理和消除应力处理等措施。
1.3 焊接材料的选择
低合金耐热钢焊材的选配原则是焊缝的力学性能与合金成分不低于母材规定的限值，但为了提高焊缝金属的抗裂性，焊材中的碳含量应低于母材的碳含量。根据设备的结构特点，设备主体纵环缝选择埋弧焊，其他焊缝选择手工电弧焊。依据NB/T47015-2011推荐，埋弧焊选用H08CrMoA焊丝，HJ350焊剂，手工电弧焊选用R307焊条能满足要求。所有焊材另需符合NB/T47018-2017《承压设备用焊接材料订货技术条件》标准规定。
2 焊接工艺评定
根据设备图纸和设备制造工艺要求，用40mm厚的15CrMoR母材制作三个工艺评定试件，分别为A、B、C。按NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》进行试件试样的制作、加工、试验和评定。
2.1 坡口的加工
试件采用火焰热切割下料，机加工去除热切割边缘产生的热影响区及淬硬层，加工成双面60°X型坡口（如图1），并用磁粉检测是否存在表面裂纹。
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2.2 焊前预热与后热
按NB/T47015-2011推荐，焊前预热温度≥120℃，故定为120℃~150℃，采用火焰加热方式，焊接过程中用红外测温仪测量层间温度，层间温度保持在120~200℃。焊接完成后用履带式加热带进行消氢处理，加热温度为250℃~300℃，保温时间1h后在石棉中缓慢冷却至常温。
2.3 焊接工艺参数
试件A、B、C的焊接工艺参数见表2，表3，表4
表2 试件A的焊接工艺参数
2.4 焊后热处理
焊接工艺评定试件冷却至常温至少24h后在热处理炉内进行消除应力热处理。热处理炉配有自动温度-时间曲线记录仪。试件A进行正火+回火+消除应力处理，温度-时间关系图见图2。试件B、C进行消除应力处理，温度-时间关系图见图3。
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3. 焊接工艺评定试验结果
焊接工艺评定试件A、B、C在焊接至少完成24h后进行100%射线检测，都为Ⅰ级或Ⅱ级片，结果符合要求。
试件A的力学性能和冲击试验结果见表5；
试件B的力学性能和冲击试验结果见表6；
试件C的力学性能和冲击试验结果见表7。
表5 试件A的力学性能和冲击试验结果
表6 试件B的力学性能和冲击试验结果
由上表5、表6、 表7可以评定，试件的力学性能和冲击试验指标均符合NB/T47014-2011的相关要求，说明工艺评定选用的焊接材料和焊接参数是合理可行的。
4. 产品设备的焊接
4.1 焊前准备
对热切割后的坡口面及两端20mm范围内进行打磨，去除热切割熔渣、淬硬层和油污氧化皮等，直至露出光亮的金属表面。坡口进行100%磁粉检测，无分层缺陷和表面裂纹后清理干净磁悬液。筒体卷圆和组装时应控制错边量和椭圆度等符合标准要求，避免强力组装，以减少焊接时应力集中导致开裂的可能。点固定焊适当加长焊点长度，或者使用搭板固定。
4.2 焊前预热
用自制的直型和环形火焰加热装置对母材进行均匀加热，用红外测温仪在母材另外一侧距离坡口边缘20mm处进行测温，预热温度为120~150℃。
4.3 焊接工艺
严格按焊接工艺评定范围内的参数施焊，采用多层多道连续焊接。每焊接下一道之前均需测量层间温度，层间温度控制在150~200℃，如低于150℃时，需重新加热至150℃以上。环缝焊接时先焊接内侧，当内侧焊缝厚度超过一半时候，外侧同时进行碳弧气刨清根工作，清根至露出金属光泽，并用砂轮打磨干净，防止产生未焊透、夹渣等缺陷。
4.4 后热处理
焊完的焊缝目视外观检测合格后用履带式加热带覆盖石棉及时进行消氢处理，加热至250℃，保温2h，在石棉包覆中缓慢冷却至常温。
4.5 无损检测
焊缝完工后至少24h,按NB/T47013-2015《压力容器无损检测》对焊缝进行100%射线检测，Ⅱ级合格。
设备整体热处理前后，对所有焊缝按NB/T47013-2015《压力容器无损检测》进行100%磁粉检测，Ⅰ级合格。
4.6 焊后热处理
设备进行炉内整理消除应力处理，热处理曲线见图4。
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5. 结论
（1）焊接完成的分气缸，共拍片244张，返修3张，一次合格率98.8%，未出现焊接裂纹。热处理后的磁粉检测也未发现表面裂纹。
（2）焊前预热温度、层间温度，是防止15CrMoR产生焊接冷裂纹和再热裂纹的有效措施。有研究表明，低合金耐热钢对焊接热输入在一定范围内的变化并不敏感，只有当热输入超过30KJ/cm时，焊缝金属的强度和冲击韧性才会有显著得下降。故本工艺选用的焊接方法和参数具有较好的使用性和经济性。
（3）由于≥200℃时，焊缝中的氢已经很活跃了，容易逸出，焊后及时进行200℃~350℃之间的消氢处理，亦能有效地防止冷裂纹的产生。
（4）对称的坡口结构设计、精确的装配环节、合理的焊接顺序、正确的焊后热处理工艺等，均可以较大限度的减少接头的拘束应力和应变，是抑制热裂纹产生的关键。
参考文献：
[1] 中国机械工业学会焊接学会编 -3版. 《焊接手册》.北京：机械工业出版社出版 2007.10
[2] 中华人民共和国行业标准. NB/T47015-2011《承压设备焊接工艺评定》. 新华出版社发行. 2011.9
[3] 中华人民共和国行业标准. NB/T47016-2011《压力容器焊接规程》. 新华出版社发行. 2011.9
[4] 中华人民共和国行业标准. NB/T47018.1~47018.5-2017《承压设备用焊接材料订货技术条件》. 新华出版社发行. 2017.7
作者简介：薛星（1983-12-25），男，主要从事压力容器制造的焊接管理工作。