閥門膨脹節(jié)用接管和波紋管焊接工藝的分析

　　介紹了閥門膨脹節(jié)中的接管和波紋管分別選用15CrMo 和304 不銹鋼材料連接的焊接工藝。通過對15CrMo、304 不銹鋼及其異種接頭焊接性分析，對比分別采用Ni 基合金和奧氏體不銹鋼填充材料時(shí)，獲得的焊縫組織，結(jié)合焊接性分析結(jié)果，確定焊接工藝、制定焊接工藝參數(shù)。

1、概述

　　某管道工程中，閥門膨脹節(jié)中的接管和波紋管分別選用15CrMo (珠光體耐熱鋼) 和304 不銹鋼( 奧氏體不銹鋼) 材料制造，然后采用焊接工藝將其連接。15CrMo 和304 不銹鋼雖然都是鐵基合金，但二者成分和性能差距很大，屬異種金屬的焊接。由于不同金屬的化學(xué)成分、物理特性、化學(xué)性能差別較大，異種金屬的焊接比同種金屬焊接復(fù)雜的多。

2、焊接性分析

　　2.1、15CrMo 的焊接性

　　15CrMo 屬于珠光體耐熱鋼，其焊接性與低碳調(diào)質(zhì)鋼相近。焊接有冷裂傾向，焊后熱處理有消應(yīng)力裂紋傾向。15CrMo 的淬硬傾向及冷裂紋敏感性可根據(jù)碳當(dāng)量間接評測。根據(jù)國際焊接學(xué)會(huì)(ⅡW) 推薦的碳當(dāng)量公式計(jì)算得到15CrMo 碳當(dāng)量CE 為

　　通過式(1) 計(jì)算( 該結(jié)果忽略雜質(zhì)含量，實(shí)際碳當(dāng)量應(yīng)略高于計(jì)算值) 得到15CrMo 的CE 介于0.43% ～0.63% 之間，平均值為0.53%。根據(jù)碳當(dāng)量判定條件，可知15CrMo 焊接必須通過一定溫度的預(yù)熱才能防止裂紋的發(fā)生。根據(jù)Ito - Bessyo 的預(yù)熱溫度計(jì)算公式初步計(jì)算δ = 6mm 預(yù)熱溫度。

　　通過式(2) 計(jì)算可知15CrMo 焊接預(yù)熱溫度應(yīng)介于152 ～189℃之間。防止15CrMo 焊后熱處理消應(yīng)力裂紋傾向的主要工藝措施為通過提高預(yù)熱和層間溫度，采用低熱輸入焊接方法和工藝，縮小焊接接頭過熱區(qū)的寬度，限制晶粒長大，選擇合理的熱處理工藝參數(shù)，盡量縮短敏感溫度區(qū)間的保溫時(shí)間。

　　2.2、304 不銹鋼的焊接性

　　304 不銹鋼是典型的的奧氏體不銹鋼，與其他不銹鋼相比，奧氏體不銹鋼的焊接比較容易，但其具有較高的熱裂紋敏感性，在焊縫及近縫區(qū)都有可能產(chǎn)生熱裂紋。產(chǎn)生熱裂紋的基本原因是由于在焊縫局部加熱和冷卻條件下，焊接接頭部位的高溫停留時(shí)間較長，焊縫金屬及近縫區(qū)在高溫承受較高的拉伸應(yīng)力和應(yīng)變引起。

　　2.3、Ni 基合金的焊接性

　　Ni 基合金具有較奧氏體不銹鋼更高的熱裂紋敏感性。Ni 基合金焊縫金屬較鋼焊縫金屬不易潤濕展開，即使增大焊接電流也不能改進(jìn)焊縫金屬的流動(dòng)性，反而起著有害作用。Ni 基合金熱導(dǎo)率較不銹鋼要低，相同參數(shù)下高溫停留時(shí)間更長。因此要避免高熱輸入帶來的不利影響，宜采用較不銹鋼小的熱輸入進(jìn)行焊接。

　　2.4、15CrMo 與304 不銹鋼異種接頭焊接性

　　15CrMo 與304 不銹鋼焊接時(shí)，兩種母材都要發(fā)生熔化，與填充金屬共同形成焊縫。由于前者合金元素遠(yuǎn)低于后者，因此其熔化進(jìn)入焊縫，會(huì)對整個(gè)焊縫金屬成分產(chǎn)生稀釋作用。

　　在15CrMo 與304 不銹鋼焊接熔池邊緣，由于液態(tài)金屬溫度低，流動(dòng)性差，在液態(tài)停留時(shí)間較短，一般情況下15CrMo 與填充金屬材料的成分有較大差異，熔化的母材金屬在熔池邊緣與填充金屬不能很好的熔合，形成和焊縫金屬成分不同、寬度0.2 ～0.6mm 的過渡層。這區(qū)域可能是高硬度馬氏體或奧氏體加馬氏體組織，而這種組織正是引起焊接裂紋的原因之一。

　　由于15CrMo 含碳量較高，合金元素較少，而304 不銹鋼卻相反。在高溫加熱過程中，一部分碳通過界面由15CrMo 一側(cè)遷移奧氏體一側(cè)，在15CrMo 一側(cè)形成脫碳層，同時(shí)在奧氏體一側(cè)形成增碳層。這個(gè)結(jié)果會(huì)降低接頭高溫持久強(qiáng)度10%～20%。為了防止碳遷移可采用15CrMo 一側(cè)增加碳化物形成元素或在奧氏體焊縫中減少這些元素，在15CrMo 一側(cè)預(yù)先堆焊含強(qiáng)碳化物形成元素或鎳基合金的隔離層，提高奧氏體焊縫中的鎳含量，減少焊縫及熱影響區(qū)高溫停留時(shí)間。

　　15CrMo 與304 不銹鋼的線膨脹系數(shù)相差較大，且304 不銹鋼的導(dǎo)熱能力較差，因此焊后在焊縫和熔合線附近會(huì)產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力。這種殘余應(yīng)力不能通過熱處理的方法消除。如這種接頭在交變溫度下工作時(shí)，15CrMo 側(cè)就可能出現(xiàn)熱疲勞裂紋，使接頭過早斷裂。為防止這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，主要采用的工藝措施為優(yōu)先選用線膨脹系數(shù)與15CrMo 線膨脹系數(shù)相近且塑性好的鎳基材料作為填充金屬，嚴(yán)格控制冷卻速度，并采用焊后緩冷等措施。

　　2.5、焊縫組織分析

　　焊縫金屬成分可通過不同的焊接材料，不同的熔合比進(jìn)行控制。通過分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求，焊縫填充材料可選擇奧氏體不銹鋼焊絲H0Cr21Ni10或ERNiCr-3 焊絲，相關(guān)金屬化學(xué)成分及當(dāng)量值見表1，通過圖1 對焊縫組織進(jìn)行分析。

圖1 舍夫勒組織

　　假設(shè)焊縫金屬中15CrMo與304不銹鋼熔入量相等，則母材化學(xué)成分為兩鋼種的平均值，其在圖1上用ab 連線的中點(diǎn)d 點(diǎn)表示。H0Cr21Ni10 焊絲化學(xué)成分在圖1 上用c 點(diǎn)表示。ERNiCr-3 焊絲化學(xué)成分在圖1 外用p點(diǎn)表示。母材化學(xué)成分與H0Cr21Ni10 焊絲化學(xué)成分連線交奧氏體邊界WQ于f 點(diǎn)，該點(diǎn)熔合比為52.8%; 母材化學(xué)成分與ERNiCr-3 焊絲化學(xué)成分連線交WQ 于點(diǎn)e，交奧氏體上限于點(diǎn)g，e 點(diǎn)、g 點(diǎn)對應(yīng)的熔合比分別為90.4%、67.0%。當(dāng)采用H0Cr21Ni10焊絲作為填充材料時(shí)，熔合比大于52.8% 時(shí)，焊縫組織為馬氏體或奧氏體+ 馬氏體組織。當(dāng)熔合比小于52.8%，焊縫組織為奧氏體+ 鐵素體組織。馬氏體組織是不希望得到的，所有在選用H0Cr21Ni10焊絲時(shí)，熔合比小于52.8%即可得到塑性較好的奧氏體+ 鐵素體焊縫組織。當(dāng)采用ERNiCr-3焊絲焊接時(shí)，熔合比大于90.4%，獲得馬氏體或奧氏體+ 馬氏體組織。熔合比介于67.0% ～ 90.4% 之間時(shí)，獲得奧氏體組織。熔合比小于67. 0%，獲得鎳合金組織。

　　對比分析可知，如選擇H0Cr21Ni10 焊絲作為填充材料，因奧氏體不銹鋼塑性高，且對氫的溶解度較大，有利于焊縫成形，冷裂和熱裂傾向較小，焊接難度較低，但其不耐晶間腐蝕，降低高溫持久性能，在交變溫度條件下工作，15CrMo側(cè)就可能出現(xiàn)熱疲勞裂紋，使接頭過早斷裂。如選擇ERNiCr-3 焊絲，冷裂和熱裂傾向較高，焊接難度有所增加，但能避免選用奧氏體焊絲的不利影響。

表1 金屬化學(xué)成分及Cr、Ni 當(dāng)量值%

3、焊接工藝確定

　　3.1、焊接材料選擇

　　通過分析，充分考慮產(chǎn)品高溫使用性能，宜選用ERNiCr-3作為填充材料。

　　3.2、焊接要點(diǎn)

　　通過分析，采用ERNiCr-3作為填充金屬焊接15CrMo與304不銹鋼時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

　　(1) 為獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫組織，應(yīng)保證合適焊縫熔合比，使焊縫組織為鎳基合金，因其線膨脹系數(shù)與15CrMo 相近，且塑性較好，焊接殘余應(yīng)力集中在塑性變形能力強(qiáng)的304 不銹鋼一側(cè)，避免15CrMo 側(cè)出現(xiàn)熱疲勞裂紋。

　　(2) 嚴(yán)格控制焊接熱輸入，避免焊接區(qū)域過熱，形成粗大的金相組織，故焊接方法采用鎢極氬弧焊焊接。

　　( 3) 為減少產(chǎn)生冷裂紋，保證焊前清理質(zhì)量，采預(yù)熱140～150℃，后熱處理200～220℃，保溫2h。

　　(4) 為減少產(chǎn)生弧坑裂紋，收弧時(shí)要適當(dāng)降低電弧高度并增加焊接速度以減小熔池尺寸。

　　(5) 坡口形式如圖2 所示，采用多層單道焊接，其工藝參數(shù)見表2。

　　3.3、焊接試件檢驗(yàn)

　　根據(jù)NB/T 47014-2011的要求，對焊接試件進(jìn)行了X 射線探傷和力學(xué)性能試驗(yàn)。①X射線探傷符合GB/T 3323-2005 規(guī)定的Ι 級標(biāo)準(zhǔn)要求。②拉伸試驗(yàn)時(shí)，2個(gè)試樣的抗拉強(qiáng)度分別為562MPa和557MPa，均斷裂于15CrMo 母材一側(cè)，合格。③彎曲試驗(yàn)時(shí)，彎心直徑24mm，彎曲角度180°，正彎和背彎均完好無裂紋，合格。④根據(jù)檢測結(jié)果，編制焊接工藝評定報(bào)告HP-2013042。

圖2 坡口形式　　表2 焊接工藝參數(shù)

4、現(xiàn)場施工

　　根據(jù)焊接工藝評定HP-2013042報(bào)告，編制焊接生產(chǎn)工藝卡，嚴(yán)格按工藝要求對膨脹節(jié)產(chǎn)品進(jìn)行試制、小批量生產(chǎn)和量產(chǎn)，最終完成100件膨脹節(jié)產(chǎn)品，產(chǎn)品經(jīng)檢驗(yàn)合格后均交付顧客使用，整個(gè)生產(chǎn)過程中未發(fā)現(xiàn)異常。

5、結(jié)語

　　15CrMo與304不銹鋼異種金屬的焊接，首先應(yīng)分析各自的焊接性，然后綜合考慮2 種金屬接頭的焊接性，分析接頭組織采用不同填充材料和熔合比的變化，從而確定焊接材料、焊接方法及熔合比，通過焊接工藝評定確定焊接工藝參數(shù)，并嚴(yán)格按評定工藝參數(shù)焊接，保證產(chǎn)品符合標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。實(shí)踐證明，采用鎢極氬弧焊，用ERNiCr-3焊絲作為填充材料，焊接15CrMo與304不銹鋼完全可行，可以保證接頭焊接質(zhì)量。