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复合钢焊接工艺—15CrMoR钢的焊接工艺分析

--15CrMoR+316L复合钢焊接工艺的研究

供稿:中国工控网 2016/9/1 11:30:52

0 人气:125

1概述

随着石油化工行业飞速发展,各种耐腐蚀、耐高温和耐高压的材料在压力容器上的应用越来越广泛。不锈钢耐热复合钢板不仅满足在高温状态下的材料强度和抗蠕变能力,而且奥氏体不锈钢耐腐蚀能力也得到很好的运用,既经济又满足使用要求,得到广大的用户的青睐。我公司在制造减粘反应器时,采用的母材为15CrMoR+316L耐热复合钢板,规格为δ=22+3mm,使用的焊接方法为手工电弧焊,焊接材料选用:基层15CrMoR采用的焊条为R307,过渡层采用的焊条为A042,复层采用的焊条为A022。但是,在实际的焊接过程中,存在以下问题:耐热钢15CrMoR的焊缝焊后要进行消除焊接残余应力热处理,按照标准规范的要求热处理的温度一般为(670690℃)±15℃,但是复层316L不锈钢在焊接过程中,经过500900℃长时间加热或焊后缓慢冷却,可能会产生铬的碳化物和形成σ相,降低焊缝的耐腐蚀性能。如何控制铬的碳化物的析出和σ相形成是15CrMoR+316L耐热复合钢板焊接和焊后热处理的关键。

2母材的焊接性分析

2.1基层15CrMoR钢的焊接性分析

2.1.1基层15CrMoR为耐热钢,在焊接过程中易出现以下问题:

1)淬硬倾向大:因为CrMoV元素的加入,降低钢材的临界冷却速度,提高过冷奥氏体的稳定性,由于焊接冷却速度大,在更低温度下发生马氏体转变,从而形成淬硬组织。

 

2)焊缝冷裂纹敏感性高:焊接接头的应力状态复杂,加之淬硬组织对聚集于此的氢十分敏感,很容易产生冷裂纹。

 

3)有一定的再热裂纹倾向:因为CrMoV等元素的存在,耐热钢的焊接接头在焊后热处理过程中,有一定的再热裂纹倾向。

 

2.1.215CrMoR钢焊接采取的工艺措施:

1)预热温度和层间温度的控制预热温度≥150℃,层间温度控制在150~250.

2)适当提高焊接线能量,可以减缓淬硬倾向。

3)后热和焊后热处理对焊缝进行焊后消氢处理和消除焊接残余应力的焊后热处理。

 

2.2复层316L钢的焊接性分析

2.2.1复层奥氏体316L钢焊接易出现的问题:

1)奥氏体316L钢焊接过程中膨胀和收缩较大,易造成工件变形或引发热裂纹。

 

2)奥氏体316L钢焊接过程中经过长时间的加热或焊后缓冷,易析出铬的碳化物或形成σ相,造成焊接接头有晶间腐蚀倾向。

 

2.2.2复层奥氏体316L钢焊接采取的工艺措施:

1)选用低碳或超低碳焊接材料。

 

2)采用小的焊接线能量且限制层间温度,可以减小过热和变形,同时降低焊接残余应力,减轻焊接接头的应力腐蚀开裂倾向。

3焊接工艺的制定

3.1坡口设计:对于复合钢板的坡口设计总的原则是:有利于减少过渡焊缝金属的稀释率。见图1

 

3.2坡口制备:用等离子切割下料,进行坡口制备。在切割的时候,复合板的复层朝上,从复层侧开始切割,然后用砂轮机打磨切割面。

                   

1坡口设计图

3.3预热和定位焊:根据15CrMoR耐热钢的性质,在焊接前应进行预热,预热温度不低于150℃以上,而且在施焊过渡层时也必须要进行预热。定位焊缝只允许焊在基层母材上。

 

3.4焊接工艺要求

3.4.1焊接顺序:先焊基层15CrMoR侧焊缝,然后焊接过渡层焊缝,最后焊接复层316L侧焊缝。

3.4.2焊接技术

1)施焊时采用窄焊道,多层多道焊接,每条焊道摆动的宽度不大于焊条直径的3倍。

2)不得用R307焊条在复层和过渡层上进行施焊,过渡焊缝应同时熔合基层焊缝、基层母材和复层母材,且应盖满基层焊缝和基层母材。具体焊缝位置见图2

2焊缝位置图

3)在焊接复层焊缝的时候,必须控制层间温度低于100℃,而且采用小的线能量进行多层多道焊接。

4)焊接工艺参数见附表。

4焊后热处理工艺

4.1常规焊后热处理工艺

15CrMoR+316L复合钢焊接完成以后进行焊缝热处理,按照常规要求,在含有CrMoVNb等碳化物形成元素的耐热钢,在热处理过程中有较高的热稳定性,热处理温度相对选择较高,这样才能够达到热处理消除其残余应力的目的,同时也能达到焊接接头组织的稳定并减缓热影响区硬化。选择的热处理温度为690±10℃,恒温时间为60min。具体的热处理工艺见热处理曲线图3

 

3焊后热处理曲线

4.1.1复层焊缝耐晶间腐蚀试验

通过上述的热处理工艺对焊缝进行热处理之后,对复层焊缝进行耐晶间腐蚀试验,检验其抗腐蚀性。复层焊缝试样经过硫酸-硫酸铜腐蚀试验16小时以后,试样弯曲180°,放大10×观察,试样有因晶间腐蚀而产生的裂纹,试验结果不合格。

4.1.2复层焊缝接头金相试验

为了更进一步证实焊缝耐腐蚀性,对复层焊缝焊接接头进行金相组织观察,见图4,确认是否有铬的碳化物析出和σ相形成,以此来判定焊缝的耐腐蚀倾向。

4焊接接头的金相组织(×125    

母材:奥氏体+碳化物热影响区:奥氏体+少量铁素体+碳化物焊缝:奥氏体+δ铁素体

通过以上焊接接头的金相组织分析,在母材和热影响区均发现有铬的碳化物析出和σ相形成,沿着晶界产生贫铬层,这样加剧焊接接头的晶间腐蚀倾向主要原因。

通过以上试验的验证,经过常规的焊后热处理工艺的试件晶间腐蚀倾向严重,不能够满足产品的使用要求,热处理的工艺需要重新制定。

4.2研究后的焊后热处理工艺

在确保耐热钢15CrMoR消除焊接残余应力和奥氏体不锈钢316L不发生腐蚀性能下降的前提下,参考有关资料和大量的试验总结的基础上,最后确定的热处理温度为600±10℃,恒温时间根据复合板的总厚度定为60min。具体的热处理工艺见热处理曲线图5

5焊后热处理曲线

4.2.1复层焊缝耐晶间腐蚀试验

经过热处理的焊缝,对复层焊缝试样经过硫酸-硫酸铜腐蚀试验16小时以后,试样弯曲180°,放大10×观察,未发生晶间腐蚀倾向,试验结果合格。    

4.2.2复层焊缝接头金相试验

对复层焊缝焊接接头进行金相组织观察,见图6,确认是否有铬的碳化物析出和σ相形成,以此来判定焊缝的耐腐蚀倾向。

    

母材:奥氏体热影响区:奥氏体+少量铁素体焊缝:奥氏体+δ铁素体

6复层焊缝接头金相组织(×125

通过以上焊接接头的金相组织分析,未发现有铬的碳化物析出和σ相形成,这样就减缓焊接接头的晶间腐蚀倾向。

4.2.3焊缝力学性能检验

对经过研究后的热处理的焊缝进行强度、塑性和冲击韧性的检验,结果均满足标准规范要求。具体试验数据及结果如下:

焊缝的抗拉强度:545MPa540MPa

焊缝的侧弯试验:合格。

焊缝的冲击试验:焊缝:626468J

热影响区:240164232J

5结论

15CrMoR+316L耐热复合钢板在焊接过程中,严格控制焊接工艺参数和焊后热处理工艺,尤其在焊后热处理这一环节中,要进行认真的控制,方可确保产品的抗腐蚀性能。

文章来源至:中国焊接资讯网


审核编辑(王雪)
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