12Cr1MoV鋼管焊接技術問題探討
12Cr1MoV鋼管焊接技術問題探討
閆偉
摘 要：
關鍵詞： 裂紋 回火脆性 接頭軟化 焊接工藝 操作要點
珠光體型耐熱鋼是以Cr ，Mo為主要合金元素的低合金剛，這類鋼具有較高的抗氧化能力和熱強性，因此在對高溫有嚴格要求的工業(yè)項目中被作為首選，同時這種珠光體型耐熱鋼還具有良好的抗硫化物和氫的腐蝕能力，廣泛應用于350～600℃范圍工作的發(fā)中設備的鍋爐、汽輪機、壓力管道及石油化工設備。
一、焊接性分析
低合金耐熱鋼合金元素總質量分數一般為5%以下，碳的質量分數一般在0.2%以下，在正火狀態(tài)下，合金元素質量分數在2.5%以下的鋼一般具有珠光體加鐵素體組織亦稱珠光體耐熱鋼。12Cr1MoV、屬于低合金耐熱鋼，在焊接過程中有較好的焊接性。但如果對供貨狀態(tài)及本材質的合金元素不了解，焊接工藝選擇不當或焊接材料選用不正確，焊接接頭可能發(fā)生裂紋、產生脆性、接頭軟化等問題；在接頭內及熱影響區(qū)有較大的殘余應力等現(xiàn)象。這些缺陷的產生，直接影響焊接接頭的性能和焊縫的質量。12Cr1MoV耐熱鋼的焊接性可從以下幾方面進行分析：
1、焊縫金屬的合金化問題 珠光體耐熱鋼大都以Cr、Mo合金元素為基礎，其高溫強度和高溫抗氧化性較好。
衡量珠光體鋼高溫強度的主要指標有兩個：其一是蠕變極限。它是高溫下，金屬開始發(fā)生緩慢變形時的應力。這種緩慢變形叫高溫蠕變；其二是持久強度，它是高溫下，金屬長期工作不致斷裂時的應力。
適當加入Mo可以提高珠光體耐熱鋼高溫強度，因鉬熔點較高，對提高金屬的高溫強度作用明顯，同時加少量的v，可以形成碳化釩，以阻礙高溫時金屬組織的塑性變形。而要提高珠光體耐熱鋼的高溫抗氧化性，則要在鋼中加入適量的Cr。因為Cr和O2的親和力比Fe和O2的親和力大，在高溫時、金屬表面首先形成一層氧化鉻保護膜、從而防止內部金屬氧化，可提高珠光體耐熱鋼的蠕變極限。
2、冷裂紋傾向 珠光體型耐熱鋼焊接時在焊縫和熱影響區(qū)，容易產生硬而脆的馬氏體組織，而且內應力很大，容易使焊縫的熱影響區(qū)產生冷裂紋。此外在一般情況下，焊縫含碳量比母材低，因此母材熱影響區(qū)中奧氏體尚未轉變時，焊縫中的奧氏體轉變卻已開始，這時如果熔池里含有較多的H，在奧氏體發(fā)生組織轉變時，氫的溶解度突然降低，焊縫中的H便向近縫區(qū)尚未轉變的奧氏體中擴散，待近縫區(qū)奧氏體轉變?yōu)轳R氏體時，溫度已很低，氫已無法向外逸出，只能在馬氏體中呈飽和狀態(tài)存在，因而會產生很大的氫致應力、使馬氏體脆化，再加上其它應力（熱應力、相變應力和拘束應力），更加速了近縫區(qū)產生冷裂紋的傾向。
3、再熱裂紋傾向 12Cr1MoV鋼中常加入的Cr、Mo、V、Ti、Nb等合金元素均是碳化物形成元素，對再熱裂紋敏感性較大，焊接時，在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)內，由這些元素形成的碳化物固溶到金屬中。焊后，由于冷卻速度比較大，不能充分析出，當接頭再次受到高溫加熱時，這些元素重新形成沉淀相在晶內彌散析出，在晶內得到強化，因而易在相對薄弱的晶界產生再熱裂紋。
4、回火脆性 低合金珠光體耐熱鋼12Cr1MoV的焊接接頭在350~500℃溫度范圍內，長期運行過程中發(fā)生缺口沖擊韌性劇烈降低現(xiàn)象，這是由回火韌性引起的。產生回火韌性的原因主要是由于在回火韌性溫度范圍長時間加熱后，P、As、Sn、Sb等雜質元素在奧氏體晶界偏析并引起晶界弱化所致。此外與促進回火脆性的Mn、Si元素也有關系。因此嚴格控制鋼材和焊縫中有害雜質的含量和降低Mn、Si的含量是解決回火脆性問題的有效措施。
5、焊接接頭軟化問題 焊接接頭軟化區(qū)主要產生在經正火加回火或經調質處理的珠光體耐熱鋼的熱影響區(qū)中，其部位在峰值溫度超過原始回火溫度的區(qū)域。鋼的強度越高，焊后軟化程度越大，這個部位常常是12Cr1MoV鋼在長期高溫工作時產生斷裂的部位。在宏觀金相試片上可以看到這個部位是一條明顯的“白帶”，而在光學顯微鏡和電鏡下觀察，該部除了大部分是鐵素體外，有以發(fā)生聚集的碳化物，還有奧氏體分解產物，也可以看到細微的鑲嵌塊，從而使這一部位的硬度明顯降低。為了減小軟化程度，應盡量減少接頭在Ac1附近停留的時間。
二、焊接工藝
1.焊接方法
低合金珠光體耐熱鋼12Cr1MoV適合于所有的焊接方法焊接。目前常用的焊接方法有手工電弧焊、手工鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護焊、埋弧焊等。對于厚壁構件，常用埋弧焊，對于各種口徑的管道常用手工鎢極氬弧焊、手工電弧焊、熔化極氣體保護焊。
2.焊接材料的選用
(1)焊接材料選擇的原則是：使焊縫的化學成分盡量與母材相近，以保證焊接接頭具有與母材基本相同的性能，為了防止焊縫產生裂紋，要求焊縫的含碳量適當低于母材，但其質量分數不宜低于ωc0.07%，以避免由于合金碳化物數量過少而降低熱強性。
正確地選擇與母材相匹配的焊接材料，焊材中的含碳量應低于母材的含碳量，為提高抗裂能力，選擇堿性藥皮焊條，用直流反接電源焊接。
(2)焊接材料
手工鎢極氬弧焊選用焊絲H08CrMnSiMoV.φ2.4mm，手工電弧焊選用焊條E5515-B2-V（R317 ）.φ3.2mm，φ4.0mm。
焊絲H08CrMnSiMoV.化學成分見下表：
化學成分 C Cr Mo Si Mn V S P
含量（%） 0.08~0.15 0.9~1.2 0.25~0.35 0.17~0.37 0.4~0.7 0.15~0.3 0.02 ≤0.03
焊條E5515- B2-V（R317）化學成分見下表：
化學成分 C Cr Mo Si Mn V S P
含量（%） 0.08~0.15 0.9~1.2 0.25~0.35 0.17~0.37 0.4~0.7 0.15~0.3 0.02 ≤0.03
焊絲H08CrMnSiMoV和焊條E5515- B2-V（R317）機械性能見下表：
機械性能指標
焊材 抗拉強度
σb（Mpa） 屈服強度
σs（Mpa） 延伸率
δ(%) 沖擊韌性
(J/mm²)
焊絲H08CrMnSiMoV 480 260 21 60
焊條E5515- B2-V 480 260 21 60
焊絲要干凈、無油污。焊條使用前要必須按規(guī)定烘干, 可在350-400℃的條件下烘干1小時，恒溫2h。
(3)焊前預熱、層間溫度和后熱處理
預熱是焊接低合金耐熱鋼的重要工藝措施，大多數情況下都需要預熱，定位焊也需要預熱，且層間溫度不應低于預熱溫度。預熱溫度不僅取決于鋼的成分， 而且與結構的拘束度和施焊的工藝方法有很大關系，如果接頭的拘束應力較高預熱溫度就要加大。
焊后應立即進行高溫回火，以防止產生延遲裂紋，消除應力和改善組織。如果不能及時回火的應馬上進行后熱處理，將焊縫及兩側熱影響區(qū)加熱至200～350℃后，立即用石棉被包裹整個焊縫及熱影響區(qū)進行保溫，使其緩慢冷卻(后熱處理)。
3．焊前清理
焊前清理是焊接質量的重要條件之一，焊前須用機械法嚴格清理坡口兩側50mm范圍處的氧化層、油、銹等污物。
4．焊接工藝順序
開坡口－打磨－清理－手工鎢極氬弧焊組對點固--手工鎢極氬弧焊打底－手工電弧焊蓋面
5．坡口制備，坡口尺寸見圖2示：
6．焊接工藝參數
焊接工藝參數
焊接方法 焊條（絲）直徑
（mm） 焊接電流
（A） 焊接電壓
（V） 焊速（cm/min） 氬氣流量
（L/min） 電源類型
手工鎢極氬弧焊 2.4 130~150 18~20 8~10 12~18 直流
正接
手工電弧焊 3.2 105~120 20~22 8~12 ------ 直流
反接
手工電弧焊 4.0 140~170 21~23 10~15 ------ 直流
反接
三、焊接操作要點
1. 定位焊采用手工鎢極氬弧焊，定位焊時采用同材質焊接材料，點固焊前預熱使定位焊縫成為正常焊縫,保證根部焊透,在上下中4個部位點4點 , 定位焊長10~15mm，焊點寬4~6mm。
2. 打底、填充蓋面時按水平固定焊的順序由下往上施焊。焊前焊縫整體預熱250～350℃。
3.手工鎢極氬弧焊打底時，能清楚的看到焊接電弧和熔池，焊接熔池在焊縫根部快速連續(xù)熔合凝結，容易實現(xiàn)單面焊雙面成型，提高了焊接質量及效率，一般情況下焊槍傾斜角度為68-80°，焊槍稍做擺動，保證坡口兩邊熔合。焊絲勻速送入熔池，鎢極與熔池保持2mm的距離，熔池前方有一熔孔是熔合良好的標志。焊速應均勻，打底不宜過厚，以免焊縫產生缺陷。
4. 手工電弧焊填充蓋面時，選用擦劃法在坡口內引弧，電弧燃燒時做小的擺動，使焊縫兩側平滑，避免咬肉現(xiàn)象，否則很容易造成夾渣，因此，應選用鋸牙法操作，焊條續(xù)接時要在熔池紅熱狀態(tài)下接上，避免產生弧坑裂紋及氣孔。層間、道間的接頭應錯開，層間清理要徹底，并控制層間溫度，如果層間溫度過低，馬上進行加溫并不低于150℃，
填充蓋面操作方法和打底基本相同，在焊厚度比較大的焊件時，焊縫越向外焊縫寬度越大，為了防止焊縫中大弧坑形成 ，產生內部偏析及氣孔等缺陷，采用多層多道焊。焊接過程中注意不要在焊件表面上隨意引弧，以免傷及焊件表面，影響焊接質量。
四、結束語
通過采用手工鎢極氬弧焊打底、手工電弧焊填充蓋面的焊接方法，采取焊前預熱、控制層間溫度和焊后熱處理 ，鋸型運條、填滿弧坑、多層多道焊接等措施，能有效地避免焊接裂紋、回火脆性、接頭軟化、等焊接缺陷的產生。
參考文獻：
【1】中國機械工程學會焊接學會編《焊接手冊》第二卷《材料的焊接》
【2】國家機械工業(yè)委員會統(tǒng)編《高級電焊工工藝學》
【3】張偉強 《低合金結構鋼的焊接工藝探討》北京：機械工業(yè)出版社，1992.
【4】 李俊林，等.鍋爐用鋼及其焊接.黑龍江：黑龍江科學技術出版社，1988.
