15CrMo埋弧焊焊接工艺

2015-11-30王贤军唐照国梁林姣

金属加工(热加工) 2015年18期

王贤军唐照国梁林姣

15CrMo埋弧焊焊接工艺

王贤军唐照国梁林姣

选用适当的预热方法和焊接参数，并控制好层间温度、后热温度及焊后热处理，对15CrMo进行了埋弧焊工艺评定试验，评定结果合格，并依据合格的焊接工艺评定，编制了焊接工艺规程指导现场的生产。

我公司应用户要求设计、制作了一台合成氨设备，设备直径为1 800mm，壳体厚度30mm，设计温度为450℃，因设计温度较高，故设计者选用了耐热钢15CrMoR作为该设备的主体材料。由于耐热钢中都加入了Cr和Mo，还有一些加入了V、Nb、W等元素，使得耐热钢的碳当量较低碳钢提高了很多，导致钢材的焊接性变差。因此，为制作好这台设备，必须进行焊接工艺评定试验，并编制出合理的焊接工艺，来保证焊接质量。

1. 15CrMo钢的焊接性能

15CrMo钢系珠光体组织耐热钢，在高温下具有较高的热强性（δb≥450MPa）和抗氧化性，并具有一定的抗氢腐蚀能力。由于钢中含有较高含量的Cr、C、Mo和其他合金元素，计算其碳当量（仅取下限）为0.44（所用试板15CrMo材料的碳当量为0.55），可见该钢材碳当量较高，淬硬倾向较明显，焊接性能比较差。由于采用埋弧焊时的热输入较大，所以焊接时需要采取适当的焊接工艺措施来保证焊接质量。

2. 焊接工艺评定试验

（1）预热装置准备对于试板的施焊，由于试板尺寸小，故用火焰加热方便。图1为火焰加热装置，多组喷火管分成两排，这样加热时试板的温度比较均匀（注意这个装置喷火口只有丝网，没有装焊嘴，因此只能是单一的燃气，不能同时通入O2）。

（2）焊前准备用30mm厚的15CrMo钢板制作两块试板，根据NB/T47014—2011的要求选定尺寸为400mm×125mm×30mm，切割方法采用火焰切割，坡口采用刨边机加工，尺寸如图2所示。

将试板的坡口表面及其两侧20mm范围内均匀地打磨出金属光泽，并对坡口进行表面检测，坡口表面应无裂纹、无夹杂、无分层。

引弧板和引出板焊接在试板的两端，采用R307焊条进行焊接，引出板的焊接可以不预热，但焊缝应距离焊接坡口边缘≥20mm，以免影响试板的焊接质量（见图3）。

图1 火焰加热装置

图2 试板坡口

图3 试板装配

（3）焊接埋弧焊焊丝选用H08CrMoA，配用焊剂为SJ101，焊剂使用前进行350℃

烘干。将预热管点燃（不要直接用火柴或打火机点火，应用较长的木条或其他物件点火，以免被火烧伤）。加热试板时应从小火加热，逐渐加大火焰（尤其是用氧乙炔火焰加热时，局部温度过高可能会引起过热，使得母材变脆），把试板加热到150～200℃（试板正面温度至少要加热到170℃，局部最高温度不要超过250℃）。达到预热温度后即可关火，准备焊接。

在引弧板上引弧并按预焊接工艺规程的规定调试焊接参数。焊接电弧稳定后再引入试板进行焊接。第一道焊缝焊完后，应测量试板温度，测量温度时在试板上选三处（画三条线），每处测4个点（即焊缝中心点、熔合线、火焰加热点、距火焰加热点外侧30mm处），所测温度控制为150～250℃，方可进行下一道焊缝的焊接，否则不得继续焊接。如中途遇到不得不停止焊接的情况，则采用保温棉保温，让试板缓冷，保温至少2h才可拆除保温棉。

试板反面焊接前应进行碳弧气刨清根，清根前试板的温度也应保持在150～250℃之间，碳刨后应磨除渗碳层，使试板背面的碳刨槽露出金属光泽。试板的温度保持在150～250℃之间，方可继续焊接。各道焊缝的焊接电流都不得过大（≤650A），每层焊缝的厚度不超过6mm，进行多层多道焊，焊接参数如表1所示。

试板焊接完成后用保温棉进行保温，并在保温1h后进行测温，测温结果为试板最低温度≥420℃，因此不加热而继续进行保温。第二次保温过0.5h后，再进行测温，测温结果为≥350℃，因此仍然可以不加热而继续进行保温，第三次再过0.5h后进行测温，测温结果为≥300℃，试板温度保持在300℃以上的总时间≥2h，可以达到消氢处理的效果，因而不需要再加热保温。如第二次、第三次测量的温度未达要求时，则需要对试板再加热。

（4）外观和无损检测焊后进行外观检查，试板没有咬边、气孔等表面缺陷，余高＜2mm，检查结果合格。

由于15CrMo材料有延迟裂纹倾向，故在焊接完毕的24h以后才能进行射线检测，检测底片无裂纹及其他超标缺陷存在，检测结果合格。

表1 焊接参数

（5）焊后热处理在外观检查和无损检测合格后方可进行焊后热处理，因为如果无损检测不合格，很可能需要进行返修，返修后还需重新焊后热处理。根据NB/T47015—2011标准的推荐温度进行焊后热处理（见图4），注意进炉和出炉温度均不得＞400℃，冷却速度应按工艺要求控制，冷却速度不得过快，否则容易产生再热裂纹。

图4 试板热处理工艺

（6）力学性能检测按要求进行拉伸、侧弯和夏比V型缺口冲击试验，其试样尺寸及数量按NB/T47014—2011规定选取。试验结果如表2所示。

进行冲击试验时应选取常温进行冲击，不要进行0℃及以下的温度进行冲击试验，因为15CrMo是耐热钢，用于温度较高的工况，不用于低温工况。而15CrMo在≤0℃时很可能出现脆性转变，为了验证这一判定，比常规多选取了3个冲击试样进行0℃的冲击试验，试验结果（见表3）表明0℃进行冲击试验比常温进行的冲击试验的冲击吸收能量低很多，甚至不合格。

3. 压力容器的施焊

（1）预热装置的制作由于压力容器是圆筒形的，因此预热装置应分为纵缝和环缝用的装置，纵缝用的和焊接工艺评定试板所用的一致，环缝所用的预热装置应按容器的圆筒设计为弧形。

（2）焊接预热及焊接焊接坡口及引出板和产品焊接试板

按照焊接工艺评定的要求进行加工、焊接。由于容器直径较大，故纵、环缝均采用埋弧焊焊接。定位焊焊在容器外边，可不进行预热，但反面焊前，必须气刨清根将定位焊缝去除。焊接焊缝时用预热装置在待焊区进行预热，预热过程中随时用测温仪测量加热区，在加热反面温度达到150℃以上时关火停止预热。焊接时过程注意测量电弧前方20cm范围内的温度变化，如所测钢板表面温度＜150℃，应停止焊接，重新加热。预热起焊处的，焊接起弧后，电弧热对前方母材起到预热作用，经测量，电弧前方20cm范围内的母材都能保持在150℃以上，因此仅仅需要预热起焊处即可。

表2 拉伸和弯曲性能试验数据

表3 冲击试验数据

由于预热温度较高，容器内部温度也比较高，因此起焊处预热并能满足要求时，焊接过程中最好关闭预热装置，以免容器内部太热，影响焊工作业。焊接时按照已评定合格的焊接参数选取。整条焊缝焊完后，用保温棉把焊缝的内外表面覆盖，并定时进行测温（20～30min测量一次温度），2h内焊缝表面温度应≥250℃，否则进行再加热。

（3）焊后热处理及产品试板力学性能检测按规定进行焊后热处理，热处理工艺应与焊接工艺评定时所进行的热处理工艺一致。经检验产品焊接试板的力学性能均合格。

4. 结语

按照上述方法进行氨合成容器的焊接，不仅焊接效率较高，而且焊接外观和接头性能都符合要求。经用户反馈，该容器在高温环境下工作，承压状况稳定，体现出耐热钢的优势，目前运行良好。

[1] 焊接手册(第二卷)：材料的焊接[M].北京：机械工业出版社，2010.

FANUC亮相AMTS2015上海汽车装备展

2015年8月26～28日，上海发那科机器人有限公司将携点焊、喷涂、装配及激光切割四套高效机器人解决方案亮相海国际汽车制造技术及装备材料展。

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此外，FANUC还展出了轨道式喷涂机器人和气门杆智能装配系统等产品。