國(guó)產(chǎn)Cr-Mo鋼焊材的焊接工藝試驗(yàn)

梁小武，張 偉，朵元才，張建曉，徐 紅

(1.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，蘭州 730314；2.甘肅省壓力容器特種材料焊接重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 培育基地，蘭州 730314)

0 引言

高溫、高壓加氫反應(yīng)器是加氫裂化和加氫脫硫裝置的核心設(shè)備，也是提高油品質(zhì)量、改變油品結(jié)構(gòu)的二次深加工的關(guān)鍵設(shè)備，是一個(gè)國(guó)家煉油技術(shù)水平的重要標(biāo)志[1-3],加氫反應(yīng)器的主體材料多采用Cr-Mo型耐熱鋼[4-8]。目前，國(guó)產(chǎn)Cr-Mo鋼材的質(zhì)量已相當(dāng)穩(wěn)定，但是與之配套的Cr-Mo鋼焊接材料主要依賴進(jìn)口。進(jìn)口焊材不但價(jià)格昂貴，成本高，而且供貨周期長(zhǎng)，生產(chǎn)過程中存在溝通和監(jiān)管困難等問題。為此，研發(fā)高性能的國(guó)產(chǎn)Cr-Mo鋼焊材成了當(dāng)務(wù)之急。隨著壓力容器的大型化、高參數(shù)化，要求最終焊后熱處理的時(shí)間就越長(zhǎng)[9-11]。采用較長(zhǎng)的熱處理時(shí)間，即增大了回火參數(shù)LMP(Larson Miller Parameter，用于表示熱處理溫度和時(shí)間的組合特性)，往往會(huì)使碳化物凝聚發(fā)生變化，進(jìn)而引起鐵素體晶粒粗大，最終導(dǎo)致韌性劣化、強(qiáng)度下降。為確保加氫反應(yīng)器的安全運(yùn)行，其配套材料必須具有高強(qiáng)度、高韌性、抗回火脆性和氫脆等性能，近期，某公司開發(fā)了國(guó)產(chǎn)12Cr2Mo1R鋼用焊材(焊條R407C、埋弧焊絲/焊劑H10Cr2MoG/SJ150)。為了掌握新型焊材的性能，對(duì)以上兩種焊材進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，為國(guó)產(chǎn)12Cr2Mo1R鋼焊材今后在產(chǎn)品中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用厚度42 mm的國(guó)產(chǎn)12Cr2Mo1R鋼板，試板的規(guī)格為600 mm×120 mm×42 mm；焊材的規(guī)格為?5.0 mm的R407C焊條；?4.0 mm的H10Cr2MoG焊絲配合SJ150焊劑。

1.2 焊接材料化學(xué)成分

1.3 焊接熱輸入和焊后熱處理工藝參數(shù)的選擇

1.3.1 不同焊接輸入試驗(yàn)

(1)對(duì)焊條電弧焊，選取三種焊接熱輸入，只是分別改變焊接電流：190，210，240 A，這三種焊接電流對(duì)應(yīng)的試樣編號(hào)分別為：1#,2#,3#，而電弧電壓(22～26 V)和焊接速度(150 mm/min)并不改變。

表1 焊條熔敷金屬的化學(xué)成分 %

表2 埋弧焊熔敷金屬的化學(xué)成分 %

(2)對(duì)埋弧焊，選取三種焊接熱輸入，也只分別改變焊接電流：500，550，600 A,這三種電流對(duì)應(yīng)的試樣編號(hào)分別為：4#,5#,6#,而電弧電壓(30～32 V)和焊接速度(21 m/h)也不改變。

1.3.2 不同焊后熱處理試驗(yàn)

無論是焊條電弧焊,還是埋弧焊，均分別選擇3種熱處理溫度：675,690,705 ℃，對(duì)每種溫度均又以最小(8 h)和最大(32 h)焊后熱處理(PWHT)進(jìn)行試驗(yàn)。

(1)焊條電弧焊對(duì)應(yīng)不同熱處理溫度下，采取Min PWHT(8 h)對(duì)應(yīng)的編號(hào)分別為：2#-3,2#-1,2#-6；采取Max PWHT(32 h)對(duì)應(yīng)的編號(hào)分別為：2#-4,2#-2,2#-7。2#-5為模擬熱壓成形(熱壓+正火+回火+退火)。

古代貨幣之所以會(huì)通過絲綢之路流到國(guó)外，是由中國(guó)與沿線各國(guó)的貿(mào)易決定的，這是一種經(jīng)濟(jì)關(guān)系，是經(jīng)濟(jì)規(guī)律在起作用。比如中國(guó)宋錢外流日本和東南亞地區(qū)，能夠長(zhǎng)期在其國(guó)內(nèi)起著主幣的流通職能，主要是由于當(dāng)時(shí)的日本和東南亞各國(guó)經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后，國(guó)內(nèi)貨幣體制落后或者沒有貨幣，或是由于當(dāng)時(shí)東南亞各國(guó)鑄造技術(shù)落后，所制之錢質(zhì)量低劣，容易磨損，不能勝任貨幣的職能。而宋朝的冶煉與鑄造技術(shù)先進(jìn)，錢幣純度高，鑄造精美，正好彌補(bǔ)了日本和東南亞各國(guó)貨幣體制的缺陷，滿足了他們急需高品質(zhì)貨幣的需求，加上中國(guó)當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)影響力強(qiáng)，中國(guó)的銅錢在日本和東南亞諸國(guó)享有很高的信譽(yù)，因此被選為充當(dāng)其國(guó)內(nèi)貨幣進(jìn)入流通就是順理成章的事。

(2)埋弧焊對(duì)應(yīng)不同熱處理溫度下，采取Min PWHT(8 h)對(duì)應(yīng)的編號(hào)分別為：5#-3,5#-1,5#-6；采取Max PWHT(32 h)對(duì)應(yīng)的編號(hào)分別為：5#-4,5#-2,5#-7。5#-5為模擬熱壓成形(熱壓+正火+回火+退火)。

無論哪種焊接方法，都采用直流反接，預(yù)熱及層間溫度150～250 ℃，焊后按NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》進(jìn)行100%UT檢測(cè)，技術(shù)等級(jí)B，Ⅰ級(jí)合格后，分別進(jìn)行最小或最大焊后熱處理。

2 不同焊接熱輸入的力學(xué)性能試驗(yàn)

2.1 焊條電弧焊

2.1.1 拉伸試驗(yàn)

焊條電弧焊三種焊接熱輸入的拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表3。將表3中焊縫金屬的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成曲線，見圖1。由表3和圖1可以看出，分別采用190,210,240 A進(jìn)行焊接，焊后經(jīng)690 ℃×8 h和690 ℃×32 h的熱處理，焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度均高于520 MPa，屈服強(qiáng)度均高于310 MPa，延伸率均大于19%，滿足技術(shù)條件要求。由此可看出，R407C焊條對(duì)焊接電流的適用范圍較廣。

2.1.2 沖擊試驗(yàn)及步冷試驗(yàn)

焊條電弧焊三種焊接熱輸入的沖擊試驗(yàn)及步冷試驗(yàn)結(jié)果見表4?？梢钥闯?，T/2處焊縫金屬-30 ℃KV2除個(gè)別值低于100 J，多數(shù)在100 J以上；T/2處熱影響區(qū)-30 ℃KV2多數(shù)在200 J左右；焊縫金屬的步冷試驗(yàn)在- 40 ℃左右；熱影響區(qū)在- 60 ℃左右。焊條電弧焊接頭韌性儲(chǔ)備比較充足，經(jīng)過階梯冷卻加速脆化后焊接接頭的脆化程度較小，滿足技術(shù)條件要求。

表3 焊條電弧焊不同焊接熱輸入的力學(xué)性能

(a)690 ℃×8 h熱處理狀態(tài) (b)690 ℃×32 h熱處理狀態(tài)

表4 焊條電弧焊不同焊接熱輸入的沖擊性能和步冷試驗(yàn)結(jié)果

2.2 埋弧焊不同焊接熱輸入的力學(xué)性能

2.2.1 拉伸試驗(yàn)

埋弧焊三種焊接熱輸入的拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表5。將不同焊接熱輸入下抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度繪制成曲線，見圖2。可以看出，不同焊接熱輸入對(duì)室溫強(qiáng)度影響較低，室溫強(qiáng)度基本沒有大的變化；對(duì)高溫屈服有一定影響，隨熱輸入增加，高溫屈服有降低趨勢(shì)。該焊絲焊劑組合焊接采用 500，550，600 A三種電流，其拉伸性能滿足技術(shù)要求。

表5 埋弧焊不同焊接熱輸入的力學(xué)性能

(a)690 ℃×8 h熱處理狀態(tài) (b)690 ℃×32 h熱處理狀態(tài)

2.2.2 沖擊試驗(yàn)及步冷試驗(yàn)

埋弧焊三種焊接熱輸入沖擊試驗(yàn)及步冷試驗(yàn)結(jié)果如表6所示?？梢钥闯觯琓/2處焊縫金屬 -30 ℃KV2除個(gè)別值低外，多數(shù)在100 J以上；T/2處熱影響區(qū)-30 ℃KV2多數(shù)在200 J左右;焊縫金屬的步冷試驗(yàn)結(jié)果在-20 ℃以下；熱影響區(qū)步冷試驗(yàn)結(jié)果在-80 ℃左右。沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，埋弧焊在低溫下韌性較好，儲(chǔ)備較足，在經(jīng)過階梯冷卻后脆化程度較低，與焊條電弧焊結(jié)果基本一致。

表6 埋弧焊不同熱處理工藝參數(shù)下的沖擊性能及步冷試驗(yàn)結(jié)果

3 不同焊后熱處理工藝參數(shù)的力學(xué)性能試驗(yàn)

3.1 焊條電弧焊不同熱處理工藝參數(shù)的力學(xué)性能

3.1.1 拉伸試驗(yàn)

三種不同熱處理工藝參數(shù)拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表7,熱處理工藝參數(shù)對(duì)各指標(biāo)的影響程度見圖3。由表7和圖3可以看出，采用該焊條在675,690,705 ℃三個(gè)溫度下熱處理，焊接接頭的拉伸性能滿足要求，在熱成形(正火+回火)條件下，其抗拉強(qiáng)度基本接近下限。為滿足封頭等特殊處理，R407C焊條的拉伸強(qiáng)度應(yīng)適當(dāng)提高。

表7 焊條電弧焊不同熱處理工藝參數(shù)的力學(xué)性能

3.1.2 沖擊試驗(yàn)

焊條電弧焊不同熱處理工藝參數(shù)的沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表8?？煽闯?，在675 ℃和705 ℃×32 h下熱處理，T/2處焊縫金屬-30 ℃KV2均有低值出現(xiàn)；在690 ℃下熱處理，T/2處焊縫金屬-30 ℃KV2均較高，多數(shù)在100 J以上，因此，12Cr2Mo1R鋼焊縫焊后熱處理溫度盡量控制在690 ℃，溫度過高或過低對(duì)沖擊性能均有一定的影響。T/2處熱影響區(qū)-30 ℃KV2多數(shù)在200 J左右。綜合看，焊條電弧焊在690 ℃下熱處理，沖擊韌性較好。

3.2 埋弧焊不同熱處理工藝參數(shù)的力學(xué)性能

3.2.1 拉伸試驗(yàn)

三種不同熱處理工藝參數(shù)拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表9所示，熱處理工藝參數(shù)對(duì)各指標(biāo)的影響程度如圖4所示。由表9和圖4可以看出，采用該焊絲焊劑組合在675,690,705 ℃、熱成形4種溫度下進(jìn)行試驗(yàn)，焊接接頭的拉伸性能基本滿足要求。

表8 焊條電弧焊不同熱處理工藝參數(shù)下的沖擊性能

表9 埋弧焊不同熱處理工藝參數(shù)下的力學(xué)性能

(a)8 h (b)32 h

3.2.2 沖擊試驗(yàn)

埋弧焊不同熱處理工藝參數(shù)下的沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表10?？煽闯?，T/2處焊縫金屬-30 ℃KV2除675 ℃×8 h，675 ℃×32 h和705 ℃×32 h出現(xiàn)低值外，多數(shù)在150 J以上。試驗(yàn)結(jié)果表明，12Cr2Mo1鋼埋弧焊在675 ℃和705 ℃下熱處理存在沖擊值低的情況，焊后熱處理溫度過低或過高對(duì)焊縫金屬韌性均有一定的影響，建議12Cr2Mo1焊后熱處理溫度應(yīng)控制在690 ℃；T/2處熱影響區(qū)-30 ℃KV2除675 ℃×8 h出現(xiàn)低值外，多數(shù)在150～250 J左右。

表10 埋弧焊不同熱處理工藝參數(shù)下的沖擊性能

4 其他項(xiàng)目的試驗(yàn)

4.1 焊接接頭的金相組織檢驗(yàn)

對(duì)焊條電弧焊和埋弧焊焊接接頭的焊縫(WM)、熱影響區(qū)(HAZ)及鄰近母材的金相組織檢驗(yàn)表明，這三個(gè)區(qū)均為貝氏體回火組織。

4.2 焊接接頭的彎曲試驗(yàn)

對(duì)焊條電弧焊和埋弧焊焊接接頭，經(jīng)三種溫度的最小熱處理(675 ℃×8 h,690 ℃×8 h和705 ℃×8 h)后進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)，其結(jié)果均合格(見表11)。

表11 焊接接頭的側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果

4.3 焊接接頭的硬度試驗(yàn)

無論是焊條電弧焊接頭，還是埋弧焊接頭，由表12的檢測(cè)結(jié)果可以看出，焊接接頭焊縫和熱影響區(qū)各測(cè)量部位的硬度正常，沒有淬硬傾向。

表12 焊接接頭硬度檢測(cè)(HV10)結(jié)果

4.4 高溫持久試驗(yàn)

為模擬設(shè)備在高溫工作狀態(tài)下接頭持久強(qiáng)度，分別對(duì)焊條電弧焊和埋弧自動(dòng)焊接頭進(jìn)行焊接接頭高溫持久試驗(yàn)，其結(jié)果如表13所示。

表13 焊接接頭高溫持久試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用R407C焊條和H10Cr2MoG/SJ150埋弧焊絲/焊劑焊接的接頭，其高溫持久強(qiáng)度滿足技術(shù)要求。

4.5 工藝性能試驗(yàn)

4.5.1 焊條電弧焊工藝性能

R407C焊條焊接工藝性能良好，飛濺較小、磁偏吹不大，易于控制，焊縫成形良好。選取20,50,100,150,200 ℃五種預(yù)熱溫度進(jìn)行焊接試驗(yàn)，觀察不同預(yù)熱溫度對(duì)焊縫成形的影響。試驗(yàn)表明：隨著預(yù)熱溫度的增加，焊道和熱影響區(qū)逐漸變寬、熔深變深；從50～100 ℃的變化較大，150 ℃以后的變化不明顯。

4.5.2 埋弧焊的工藝性能

對(duì)H10Cr2MoG(?4.0 mm)+SJ150進(jìn)行埋弧焊試驗(yàn)，其工藝性能良好，焊縫成形和焊劑脫渣性均較好。

5 結(jié)論

(1)該R407C(?5.0 mm)焊條及H10Cr2MoG+SJ150焊絲與焊劑焊接飛濺較小、脫渣性良好、焊縫成型較好，焊接工藝性能良好。

(2)通過三種不同電流以及不同熱處理狀態(tài)的性能對(duì)比試驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足產(chǎn)品技術(shù)條件要求，結(jié)果顯示，此次試驗(yàn)的兩種國(guó)產(chǎn)12Cr2Mo1R鋼焊材其適用的焊接及熱處理參數(shù)范圍較大，可以推廣應(yīng)用。

(3)通過對(duì)R407C和H10Cr2MoG/SJ150進(jìn)行化學(xué)成分分析、焊接接頭拉伸性能、沖擊性能、硬度(HV10)、回火脆化、金相組織及應(yīng)力持久等各項(xiàng)性能檢測(cè)，確認(rèn)適宜的焊接工藝參數(shù)和熱處理規(guī)范：R407C適宜的焊接電流為210～240 A，H10Cr2MoG/SJ150焊絲及焊劑適宜的焊接電流為530～580 A，熱處理溫度均為690 ℃。

(4)與進(jìn)口焊材試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為均勻、穩(wěn)定，達(dá)到了同類進(jìn)口焊材的水平。試驗(yàn)研究積累的大量數(shù)據(jù)，不僅為12Cr2Mo1R鋼加氫設(shè)備焊材國(guó)產(chǎn)化起到促進(jìn)作用,而且在一定程度上為國(guó)產(chǎn)化焊材的擴(kuò)大應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。