Cr-Mo系珠光體耐熱鋼鋼管JCO焊接工藝實踐

尚才眾，王青峰，王昕軍，賈云剛，吳建國，楊森民，郭 建，鄭麗華

（1.河北海乾威鋼管有限公司，河北滄州061300；2.燕山大學(xué)，河北秦皇島066000）

Cr-Mo系珠光體耐熱鋼鋼管JCO焊接工藝實踐

尚才眾1，王青峰2，王昕軍1，賈云剛1，吳建國1，楊森民1，郭 建1，鄭麗華1

（1.河北海乾威鋼管有限公司，河北滄州061300；2.燕山大學(xué)，河北秦皇島066000）

分析了Cr-Mo系珠光體耐熱鋼的焊接性能，針對其存在較嚴(yán)重的冷裂紋和再熱裂紋傾向的問題，探討了符合Cr-Mo系耐熱鋼鋼管的JCO自動雙面三絲埋弧焊接生產(chǎn)工藝，并分析了ASTM A 387/A 387M—2006a標(biāo)準(zhǔn)中11級第2類（Gr11-Cl2）耐熱鋼鋼管的焊接接頭顯微組織。分析認(rèn)為：采用H08CrMoA焊絲/HJ350焊劑組合，控制焊接熱輸入，以及焊接預(yù)熱溫度150℃，后熱溫度250～300℃、保溫時間30 min，焊后熱處理溫度690～710℃等工藝，可解決焊接時出現(xiàn)冷裂紋、焊接熱影響區(qū)和熱處理后產(chǎn)生SR裂紋等問題。

Gr11-Cl2珠光體耐熱鋼；JCO工藝；冷裂紋；SR裂紋；t8/5；預(yù)熱；后熱

JCO鋼管生產(chǎn)線采用自動雙面多絲埋弧焊接工藝制造鋼管。多絲埋弧焊接的熔敷效率高、熔深大、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、能夠?qū)崿F(xiàn)自動化，滿足了JCO鋼管生產(chǎn)線大壁厚、快節(jié)奏、程序化控制的要求。多絲埋弧焊接的高效率主要得益于多“槍”組合形成的大線能量輸出；然而，對于焊接耐熱鋼、低溫鋼以及碳當(dāng)量較高的鋼種，這種優(yōu)勢卻轉(zhuǎn)換為劣勢。大的焊接熱輸入可以降低冷卻速度，大幅度提升相變溫度從800℃到500℃的冷卻時間t8/5，使擴散氫充分逸出；焊縫硬度呈下降趨勢，晶粒變粗大。此外，焊接熱輸入的增大在延長t8/5的同時，也使焊縫和熱影響區(qū)的組織粗化、性能下降，導(dǎo)致焊接缺陷頻發(fā)。以ASTM A 387/A 387M—2006a《壓力容器用鉻鉬合金鋼板》標(biāo)準(zhǔn)中11級第2類鋼（簡稱Gr11-Cl2）耐熱鋼板為例，通過選擇合理的焊接熱輸入，匹配適宜的焊材以及預(yù)熱、后熱和消除應(yīng)力熱處理等輔助工藝的措施，探討符合Cr-Mo系耐熱鋼鋼管的JCO自動雙面三絲埋弧焊接生產(chǎn)工藝。

Gr11-Cl2耐熱鋼板執(zhí)行ASTM A 387/A 387M—2006a標(biāo)準(zhǔn)［1］，其交貨狀態(tài)為正火+回火，母材顯微組織為鐵素體+珠光體，組織分布較均勻、晶粒度6級。鋼管規(guī)格Ф762 mm×23.5 mm×9 000 mm，執(zhí)行ASTM A 691/A 691M—2009《高溫、高壓用電熔焊碳鋼和合金鋼管道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》［2］。

1 焊接性分析

Cr-Mo系珠光體耐熱鋼是在標(biāo)準(zhǔn)碳鋼基礎(chǔ)上添加適量的Cr和Mo元素，使其具有良好的抗氧化性、熱強性和抗氫腐蝕性能，屬于珠光體耐熱鋼。Cr是鐵素體形成元素，是耐熱鋼中極重要的合金元素；Cr與氧的親和力大，高溫時能形成結(jié)構(gòu)致密的Cr2O3氧化膜，可以提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性。Mo的熔點高，是耐熱鋼的主要強化元素；Mo溶于鐵素體能夠大幅提升鋼的再結(jié)晶溫度，使鋼的高溫蠕變極限顯著提高；Mo元素還能使耐熱鋼具有抗回火軟化性和阻止回火脆性。Cr-Mo復(fù)合使用能夠達(dá)到最佳的強化效果。

1.1 碳當(dāng)量計算

碳當(dāng)量是評價材料焊接性的基本參數(shù)，它是將鋼的碳含量與添加的合金元素對焊接性影響的大小換算成碳的相當(dāng)含量之和。Gr11-Cl2耐熱鋼的化學(xué)成分和機械性能見表1。從表1看出，Gr11-Cl2耐熱鋼中的w（Cr）為1.5%，w（Mo）為0.5%。合金元素的加入對鋼材的焊接性有著十分重要的影響。Cr能提高鋼的淬透性，但也會引起焊縫和熱影響區(qū)出現(xiàn)淬硬組織，甚至產(chǎn)生焊接裂紋。

表1 Gr11-Cl2耐熱鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和機械性能

根據(jù)國際焊接學(xué)會（IIW）推薦的估算低合金鋼碳當(dāng)量計算公式［3-5］：Ceq=w（C）+w（Mn）/6+w（Cr+ Mo+V）/5+w（Ni+Cu）/15，可計算出Gr11-Cl2耐熱鋼的碳當(dāng)量為0.63%。文獻(xiàn)［6］認(rèn)為，當(dāng)Ceq∧0.40%時鋼的冷裂紋敏感性明顯增加；文獻(xiàn)［7］認(rèn)為，當(dāng)Ceq∧0.50%時鋼易淬硬、焊接性變差，必須預(yù)熱才能防止焊接裂紋產(chǎn)生。因此，Gr11-Cl2耐熱鋼的焊接性較差、冷裂紋傾向較大，焊前需預(yù)熱。

1.2 焊接冷裂紋和預(yù)熱溫度

冷裂紋是耐熱鋼焊接中最常見的缺陷之一，引入焊接冷裂紋敏感系數(shù)Pw，以探討Gr11-Cl2耐熱鋼的冷裂紋產(chǎn)生傾向［6］：

式中Pcm——裂紋敏感系數(shù)，%；

［H］——焊縫金屬擴散氫，取3 mL/100 g；

R——接縫拉伸拘束度，N/（mm·mm）。

一般鋼管類長焊縫取R=400δ，δ是板厚；因此可計算出Gr11-Cl2耐熱鋼的Pcm為0.294%，Pw為0.367%。

焊接預(yù)熱溫度T的計算公式為［6］：

將Pw值代入公式（3）可得Gr11-Cl2鋼的焊接預(yù)熱溫度T為136.5℃。因此，在生產(chǎn)Gr11-Cl2珠光體耐熱鋼鋼管時，最低預(yù)熱溫度取140℃，實際采用150℃。

Gr11-Cl2耐熱鋼的冷裂紋敏感系數(shù)為0.367%，最低預(yù)熱溫度為140℃；焊接接頭有產(chǎn)生冷裂紋的傾向，驗證了碳當(dāng)量計算的結(jié)論。預(yù)熱溫度計算已經(jīng)考慮到鋼板厚度或拘束度，以及熔敷金屬中氫含量，其可靠性在焊接實踐中已經(jīng)得到了檢驗。預(yù)熱的作用是延長t8/5來改善組織、降低硬度，同時可以延長焊接冷卻時相變溫度從200℃到100℃的冷卻時間，有利于氫的擴散逸出。

1.3 焊接熱裂紋

英國科學(xué)家WinKinson提出了熱裂紋敏感指數(shù)HCS的計算公式：

由公式（4）和表1可以計算出Gr11-Cl2耐熱鋼的HCS約為1.3，小于3.6，可見Gr11-Cl2耐熱鋼焊接接頭不會產(chǎn)生熱裂紋［8］。

1.4 后熱

后熱是焊接完成后立即對工件進(jìn)行加熱或保溫的工藝［9］，不屬于熱處理。對于焊接性差的低合金鋼或高拘束度接頭，焊前預(yù)熱還不足以防止冷裂紋，可采用后熱的方法使擴散氫充分逸出，降低淬硬性，改善組織狀態(tài)，防止產(chǎn)生延遲裂紋。

焊接Gr11-Cl2類高強鋼時，后熱對于焊縫消氫、預(yù)防馬氏體生成、釋放焊接應(yīng)力具有重要作用。文獻(xiàn)［8］指出，后熱應(yīng)將焊縫及其兩側(cè)加熱至250～350℃，保溫2 h。但在實際生產(chǎn)中，采用后熱溫度250～300℃、保溫時間30 min的后熱處理工藝即可達(dá)到效果。

1.5 焊后熱處理與SR裂紋

再熱裂紋是焊后焊件在一定的溫度范圍內(nèi)再次加熱（消除應(yīng)力熱處理或其他加熱過程）而產(chǎn)生的裂紋，亦稱SR裂紋［9］。圖1所示為再熱裂紋敏感性與Cr、Mo含量的關(guān)系。

SR裂紋指數(shù)ΔG的計算公式［8］為：

ΔG=w（Cr）+3.3w（Mo）+8.1w（V）-2（5）

圖1 再熱裂紋敏感性與Cr、Mo含量的關(guān)系

由公式（5）可計算出Gr11-Cl2耐熱鋼的ΔG約為1.21。文獻(xiàn)［8］指出，ΔG∧0焊接接頭具有再熱裂紋傾向，其再熱裂紋敏感溫度為550～650℃。ASTM A 691/A 691M—1998標(biāo)準(zhǔn)要求該批鋼管進(jìn)行消除應(yīng)力的熱處理（溫度590～745℃）。根據(jù)SR裂紋產(chǎn)生機理，延遲裂紋發(fā)生在一定溫度區(qū)間，高于其上限或者低于其下限都不會產(chǎn)生冷裂紋；因此，焊后熱處理溫度控制在650～745℃。

Gr11-Cl2鋼具有再熱裂紋傾向，焊接時需要采取措施預(yù)防SR裂紋，主要包括控制焊材的化學(xué)成分和控制焊接熱輸入［8］。

2 焊材選擇

應(yīng)保證耐熱鋼焊接接頭在高溫、高壓和各種腐蝕介質(zhì)條件下長期安全運行，焊縫金屬的合金成分及其使用溫度下的強度性能應(yīng)與母材指標(biāo)一致［10］。Gr11-Cl2耐熱鋼中的合金元素含量較多，焊接時碳與合金元素易形成淬硬組織，導(dǎo)致抗裂性能變差。選擇焊材時應(yīng)充分考慮焊接性，嚴(yán)格控制S、P等雜質(zhì)的含量；碳含量應(yīng)比母材低，使得焊縫中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于母材［11］。Cr、Mo耐熱鋼焊縫金屬最佳w（C）應(yīng)控制在0.08%～0.12%，此時焊縫金屬具有較高的沖擊韌性和與母材相當(dāng)?shù)娜渥儚姸龋?2］。通過選擇合理的焊接材料來控制焊縫金屬中的C、S、P含量，對防止產(chǎn)生SR裂紋有利。

根據(jù)Gr11-Cl2鋼焊接性要求，從適用性和成本考慮，選擇3組焊絲、焊劑組合，備選焊材組合熔敷金屬的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表2。經(jīng)試驗，最終確定使用H08CrMoA/HJ350組合（添加1/3或1/4的燒結(jié)SJ101焊劑，以增加流動性和透氣性），從投入生產(chǎn)的情況來看，該組合效果較好。

3 焊接熱輸入、t8/5、顯微組織

耐熱鋼焊接熱輸入量的確定以抗裂性和對熱影響區(qū)韌性要求為依據(jù)。采用較大的焊接熱輸入有以下作用：一是降低冷卻速度，特別是能夠延長t8/5，避免馬氏體轉(zhuǎn)變，利于氫的逸出，降低冷裂紋傾向；二是延長高溫滯留時間，使得過熱區(qū)擴大，晶粒嚴(yán)重長大，接頭脆化，抗裂性能降低，焊后熱處理時產(chǎn)生再熱裂紋傾向增大［8］。因此，焊接Gr11-Cl2耐熱鋼時要求焊接熱輸入適中，在保證焊縫金屬韌性的前提下，可以加大線能量，延長t8/5。

3.1 焊接熱輸入與t8/5

在t8/5區(qū)間內(nèi)組織轉(zhuǎn)變激烈，對熱影響區(qū)組織、性能和抗裂性起決定作用［13］。t8/5對于研究低合金鋼特別是冷裂傾向大的鋼種焊接十分重要，焊接線能量應(yīng)該根據(jù)鋼材的焊接CCT連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線［14］來確定t8/5的臨界值，再通過公式（6）［13］來確定最適宜的焊接參數(shù)，特別是防止冷裂所要求的預(yù)熱溫度和熱輸入值［15］。

式中λ——導(dǎo)熱率，J/（s·cm·℃），這里取0.3；

c′——鋼的體積比熱容，J/（cm3·℃），這里取0.67；

表2 備選焊材組合熔敷金屬的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和力學(xué)性能

η——焊接熱效率，埋弧焊取0.95；

E——焊接熱輸入，kJ/cm；

T——預(yù)熱溫度，℃，這里取140。

為獲得符合設(shè)計要求的Gr11-Cl2耐熱鋼焊接接頭，在保證焊縫金屬韌性的前提下，加大線能量，延長t8/5進(jìn)行了一組耐熱鋼焊接對比試驗，以選擇合理的焊接熱輸入值。

首先取得了普通材質(zhì)的同規(guī)格鋼管焊接熱輸入（埋弧焊內(nèi)焊接37.51 kJ/cm，外焊接48.17 kJ/cm），為了簡便，以外焊接48.17 kJ/cm作為參照，熱輸入上下浮動10%～15%，在Gr11-Cl2鋼進(jìn)行焊接對比試驗。對比檢測項目6個：熱輸入E、t8/5、硬度HV、焊接裂紋、晶粒度和SR裂紋。

計算t8/5時，首先還需比較臨界板厚δcr與實際板厚的大小，若實際板厚小，則可以用公式（6）計算t8/5。當(dāng)焊接熱輸入為48.17 kJ/cm時，臨界板厚δcr的計算公式為［13］：

在公式（7）中，假設(shè)焊接熱效率η為1，則由公式（7）可計算得出：δcr=66.6 mm。

實際板厚δ為23.5 mm，小于δcr，屬于二維熱傳導(dǎo)，由公式（6）計算t8/5為7.60 s。

按照既定的焊接工藝在車間JCO生產(chǎn)線上進(jìn)行5組試驗，每10支鋼管為1組，每組1支加長管（安排在第7支焊接）。檢測項目中維氏硬度和晶粒度取自加長管，焊接裂紋和SR裂紋是每組鋼管缺陷個數(shù)的總和。熱輸入遞減的第1組、第2組無損檢測方面沒有發(fā)現(xiàn)未熔合現(xiàn)象。試驗時為了便于問題分析，各試驗組內(nèi)焊接熱輸入值保持35 kJ/cm不變，生產(chǎn)中內(nèi)焊接熱輸入值設(shè)定為30～35 kJ/cm。Gr11-Cl2耐熱鋼焊接對比試驗結(jié)果見表3。

表3 Gr11-Cl2耐熱鋼焊接對比試驗數(shù)據(jù)

從表3可以看出：第4組的熱輸入是第1組的1.35倍，而t8/5則是第1組的1.83倍；提高熱輸入，t8/5可以得到大幅增加，焊縫硬度呈下降趨勢，第4組的晶粒度增大至4.5級；第3～4組的缺陷最多、效果最差，甚至出現(xiàn)SR熱裂紋。增大熱輸入雖然延長了t8/5，但過熱使得組織粗化、性能下降，導(dǎo)致產(chǎn)生更多焊接缺陷。由此可見，增大熱輸入可在一定程度上防止冷裂紋的產(chǎn)生，但過大的熱輸入將導(dǎo)致更多的焊接缺陷產(chǎn)生。

3.2 焊接熱輸入與顯微組織

焊接熱輸入為43.35 kJ/cm時，Gr11-Cl2耐熱鋼焊接接頭顯微組織如圖2（a）～（e）所示。從圖2（a）～（e）可以看出：焊縫中心組織為柱狀鐵素體+索氏體；受焊接高溫的影響，過熱區(qū)組織為晶粒粗大的鐵素體+索氏體+貝氏體；在焊接正火的作用下，重結(jié)晶區(qū)的溫度超過奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，加之有足夠的保溫時間，其組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)晶粒均勻的鐵素體+珠光體；圖2（e）所示為熔合線兩側(cè)的組織形態(tài)，左上側(cè)為焊縫組織，右下側(cè)是過熱區(qū)組織；圖2（f）所示為焊接熱輸入48.17 kJ/cm時，采用三絲雙面埋弧焊，普通材質(zhì)焊管的內(nèi)、外焊接熔深形貌。

圖2 Gr11-Cl2耐熱鋼焊接接頭顯微組織

4 結(jié)論

生產(chǎn)Cr-Mo系耐熱鋼鋼管的關(guān)鍵技術(shù)是解決焊接時出現(xiàn)的冷裂紋、焊接熱影響區(qū)硬化和熱處理后產(chǎn)生SR裂紋等問題。

（1）Gr11-Cl2鋼的碳當(dāng)量達(dá)到0.63%，其可焊性較差，冷裂紋性敏感，無熱裂紋傾向，有SR裂紋傾向（SR裂紋敏感溫度為550～650℃）。采取焊接預(yù)熱和焊后后熱措施能有效防止產(chǎn)生冷裂紋；焊后熱處理溫度設(shè)定在690～710℃為宜，以避開SR裂紋敏感溫度。

（2）焊接Gr11-Cl2鋼時，通過增大熱輸入來降低冷卻速度，在一定程度上可防止冷裂紋的產(chǎn)生，但過大的熱輸入反而影響焊接質(zhì)量。

（3）利用對t8/5冷卻敏感時間的計算，通過焊接試驗可以獲得比較精準(zhǔn)的焊接熱輸入，對防止Cr-Mo系珠光體耐熱鋼焊接產(chǎn)生冷裂紋具有較強的實用性。

［1］ASTM A 387/A 387M—2006a壓力容器用鉻鉬合金鋼板［S］.2006.

［2］ASTM A 691/A 691M—2009高溫、高壓用電熔焊碳鋼和合金鋼管道規(guī)范［S］.2009.

［3］尚才眾，董宏斌，賈云剛，等.09MnNiDR低溫鋼管雙面雙層三絲自動埋弧焊接研究［J］.鋼管，2014，43（4）：23-29.

［4］尚才眾.JCO雙面三絲自動埋弧焊生產(chǎn)ASTM 1035鋼管焊接裂紋的控制［J］.鋼管，2016，45（1）：45-50.

［5］尚才眾，鄭麗華，賈云剛，等.執(zhí)行俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)的K60管線管JCO焊接工藝實踐［J］.鋼管，2015，44（4）：44-48.

［6］中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊：材料的焊接［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007：21，157-159，227.

［7］李亞江，王娟.焊接原理及其應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：88，120.

［8］于啟湛，丁成鋼，史元春.耐熱金屬的焊接［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009：64，67，104-105.

［9］中國機械工程學(xué)會焊接分會.焊接詞典［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008：33，121.

［10］李亞江.高強鋼的焊接［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2010：104，152.

［11］王國璋.壓力容器焊接實用手冊［M］.北京：中國石化出版社，2013：201.

［12］吳樹雄.金屬焊接材料手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：363.

［13］杜則裕.焊接科學(xué)基礎(chǔ)材料焊接科學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012：151-152.

［14］哈爾濱焊接研究所.國產(chǎn)低合金鋼焊接CCT圖冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1990.

［15］陳裕川.低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008：61.

Practice of JCO Welding Process for Cr-Mo Series Heat-resistant Pearlite Steel Pipe

SHANG Caizhong1，WANG Qingfeng2，WANG Xinjun1，JIA Yungang1，WU Jianguo1，YANG Senmin1，GUO Jian1，ZHENG Lihua1
（1.Hebei Haiqianwei Steel Pipe Co.，Ltd.，Cangzhou 061300，China；2.Yanshan University，Qinhuangdao 066000，China）

Analyzed is the welding performance of the Cr-Mo series heat-resistant pearlite steel.Addressing the problem of the said steel，i.e.a serous trend to clod crack and reheat crack，the automatic JCO 2-side，3-wire SAW manufacturing process that suits the Cr-Mo series heat-resistant steel pipe is discussed，and the microstructure of the welding joint of the ASTM A 387/A 387M—2006a Class 2 Grade 11（Gr11-Cl2）heat-resistant pipe is analyzed.The analysis result leads to the conclusion that the above mentioned cold crack as developed during welding operation，and the SR cracks as occurred in the welding HAZ and after heat treatment can be prevented by means of techniques namely，using the welding agent as combining the H08CrMoA weld wire and HJ350 flux，properly controlling welding heat input，and keeping the pre-heating temperature for welding as 150℃，the post-heating temperature as 250～300℃，the holding time as 30 minutes，and the post-welding heat treatment temperature as 690～710℃，etc.

Cr-Mo series heat-resistant pearlite steel；JCO process；cold crack；SR crack；t8/5；pre-heating；post-heating

TG335.75

B

1001-2311（2016）04-0018-05

2016-03-24；修定日期：2016-04-01）

尚才眾（1961-），男，高級工程師，總工程師，主要從事鋼管設(shè)備設(shè)計制造和工藝管理工作，近年專注JCO鋼管成型和焊接工藝研究。