20钢与15CrMo的异种钢焊接工艺分析

作者：杨　李亚涛　郭

来源：《中国高新技术企业》2014年第23期

        摘要：60万吨/年产甲醇装置R-52001合成塔靠近塔体第一道焊口出现不同程度的裂纹缺陷，由于塔体管口与升汽管材质不同，对焊接材料选用到焊接过程工艺参数的控制都提出了更高、更严的要求，通过选用合适的焊接材料及合理的工艺参数，成功地完成了升气管缺陷焊口的返修任务。异种钢的焊接一直是焊接工艺中的一个难点。文章通过对20钢与15CrMo的异种钢焊接工艺进行探讨和分析，为类似的相关设备的检修提供借鉴和参考。

        关键词：焊接；异种钢；焊接工艺；焊接热输入；焊接材料；工艺参数

        中图分类号：TG406 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）34-0083-02

        60万吨/年产甲醇装置R-52001合成塔15条升气管（规格：Φ273×16mm；材质：合成塔塔体管口：15CrMo，升汽管：20钢；工作压力：2.3MPa；工作温度：320℃；工作介质：蒸汽）经过多年的运行，靠近塔体第一道焊口出现不同程度的裂纹缺陷，在2014年大检修中对合成塔升气管焊口进行了返修，由于塔体管口与升汽管材质不同，对焊接材料选用到焊接过程工艺参数的控制都提出了更高、更严的要求，我们经过对两种材质化学成分金相组织分析、比对，查阅相关资料，结合以往积累的经验，选用了合适的焊接材料及合理的工艺参数，成功地完成了升气管缺陷焊口的返修

        任务。

        1 20钢和15CrMo的焊接性分析

        20钢属于低碳钢，由于其含碳量低，锰、硅含量也少，所以，通常情况下不会因焊接而产生严重硬化组织或淬火组织。20钢焊后的接头塑性和冲击韧度良好，焊接时，一般不需预热、控制层间温度和后热，焊后也不必采用热处理改善组织，整个焊接过程不必采取特殊的工艺措施，焊接性优良。

        15CrMo属于低合金珠光体耐热钢其以Cr-Mo以及Cr-Mo基多元合金钢为主，具有很好的抗氧化性和热强性，同时还具有良好的抗硫和氢腐蚀的能力。珠光体耐热钢的焊接性与低碳调质钢相近，焊接中存在的主要问题是冷裂纹、热影响区的硬化、软化以及焊后热处理或高温长期使用中的消除应力裂纹。如果焊接材料选择不当，焊缝中还有可能产生热裂纹。

        2 异种钢焊接工艺分析

        2.1 焊接的工艺原则

        异种钢焊缝与母材的化学成分、金相组织、物理性能及力学性能都有较大的差别，因此异种钢焊接要比同种钢复杂得多，焊接时必须采取一定的特殊工艺措施才能获得满意的焊接接头。考虑异种钢焊接工艺时必须根据这些特定的条件来确定焊接方法、焊接材料、工艺参数以及其他措施。

        2.2 焊接方法的选择

        由于升气管工作温度为320℃，工作压力高，工作介质是蒸汽，结合化工生产要求，采用钨极氩弧焊打底，焊条电弧焊盖面（GTAW/SMAW）。

        2.3 焊接材料的选择

        目前对于20钢与15CrMo异种钢的焊接，其焊接材料的选择还没有一致的看法。根据常规异种钢焊接选材的原则，我们先后采用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ方法选择的焊接材料（J427、R307、J507）焊接，在焊缝及焊缝的热影响区均产生了辐射状贯穿性裂纹。最后我们采用Ⅳ方法选择焊接材料（焊丝ERNiCrMo-3，焊条ENiCrMo-3），采用完全不同于异种钢焊接接头两侧母材金属成分的高匹配焊接材料，保证了焊缝金属的致密性，大大降低了焊接缺陷的发生。

        综上所述，20钢与15CrMo异种钢的焊接应采用的焊接材料为：氩弧焊丝ERNiCrMo-3，直径2.5mm；焊条，焊条ENiCrMo-3，直径3.2mm。

        2.4 焊接工艺

        2.4.1 将降液管线弯头与壳体接管的焊缝处用角磨机将原有焊肉全部清理干净，并按照图1中的要求打磨坡口（注意：严禁使用碳弧汽刨法割口，防止渗碳污染塔体母材）。经金相分析仪检测，无原焊缝熔敷金属方为合格。

        2.4.2 焊接前将坡口及坡口两侧10～15㎜管子内外壁的油漆、污垢、铁锈等清理干净，露出金属光泽，塔体管线坡口经渗透检测达到JB/T-4730.5-2005 Ⅰ级合格。

        2.4.3 焊口的局部间隙过大时，应设法修整到规定的尺寸（根部钝边1～3mm，间隙1～3mm），严禁在间隙内加填塞物。施焊中，应特别注意接头和收弧的质量，收弧时应将熔池填满。多层多道焊的接头应错开。

        2.4.4 焊前预热，后热处理，控制层间温度，尽量采用氩弧焊打底，小电流短弧操作，减少热输入量。

        焊后对焊缝进行100%渗透检测，结果一次合格，均为Ⅰ级。结果表明：选择的焊接材料及所确定的工艺参数能保证焊接接头的各项性能要求，为20钢与15CrMo异种钢焊接提供了经验。

        2.5 注意事项

        2.5.1 收弧时速度不宜过快，要及时填满弧坑根部，待弧坑冷却再切断保护气。

        2.5.2 焊工操作时摆动幅度要小，尽量采用直线运动。

        2.5.3 由于镍基合金具有较大的焊接热裂纹倾向，所以焊接热输入的大小对焊接接头热裂纹的产生有着重要的影响。为此，应尽可能采用小的热输入，缩短焊缝熔融金属存在的时间，防止热裂纹的产生，也有利于改善熔合质量。

        2.5.4 焊接时采用多道焊，每层焊道的接头应相互错开。

        3 结语

        （1）20钢与15CrMo异种钢焊接采用焊丝ERNiCrMo-3和焊条ENiGrMo-3，其焊接热输入、层间温度、坡口角度的选择是正确的。（2）在实际检修过程中必须结合母材的焊接特性和工艺运行条件，对每项焊接工艺参数进行慎重考虑，必要时，先进行工艺试验，选取最优的焊接工艺及焊材。（3）采用上述工艺焊接的异种钢焊缝，通过探伤和硬度测试等检验均获得理想结果，说明该工艺切实可行，为今后类似异种钢接头的焊接提供了借鉴。

        参考文献

        [1] 陈裕川.现代焊接生产实用手册[M].北京：机械工业出版社，2005.

        [2] 张子荣，等.简明焊接材料选用手册[M].北京：机械工业出版社，2004.

        [3] 陈裕川.焊接工艺评定手册[M].北京：机械工业出版社，2000.

        [4] 中华人民共和国化学工业部.工业金属管道工程施工及验收规范[S].北京：中国计划出版社，1997.

        [5] 英若采.熔焊原理及金属材料焊接[M].北京：机械工业出版社，1995.

        作者简介：杨（1986-），男，宁夏彭阳人，神华宁煤煤化工安装检修公司助理工程师，研究方向：材料化学。