15CrMo管道藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊根焊工藝性能研究

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州730050）

0 前言

目前在石油化工裝置中的高溫工藝管線、焦化爐、常壓爐以及順酐反應(yīng)器管道等大量使用1Cr-0.5Mo及1.25Cr-0.5Mo（如15CrMo、12Cr1MoVG）等低合金珠光體耐熱鋼。這類鋼具有良好的抗硫化物腐蝕和抗氫腐蝕能力，因此在石油化工設(shè)備制造中廣泛應(yīng)用[1]。目前其焊接施工主要采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊、焊條電弧焊或氬電聯(lián)焊的方法。采用焊條電弧焊直接進(jìn)行打底，由于背面成形不易控制且焊接質(zhì)量受焊接操作人員技能影響大，存在打底焊接質(zhì)量不穩(wěn)定的缺點(diǎn)；采用鎢極氬弧焊根焊，為了保證良好的背面焊道成型，避免產(chǎn)生氣孔，采用背面保護(hù)且焊接效率較低，成本偏高、工人勞動(dòng)強(qiáng)度較大等問題較為突出。特別是在特殊位置管道焊接、偏僻地區(qū)的涉外工程建設(shè)中，充氬困難、氬氣供應(yīng)稀缺（如高空管道的焊接需要?dú)鍤猓?實(shí)際施工困難會導(dǎo)致無法進(jìn)行背面的充氬保護(hù)焊接，從而嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量和工程進(jìn)度。

藥芯焊絲是近幾十年發(fā)展起來的新型焊接材料，它兼?zhèn)淞撕笚l電弧焊的優(yōu)良工藝性能和CO2實(shí)心焊絲氣體保護(hù)高效率自動(dòng)焊的優(yōu)點(diǎn)；在電弧高溫作用下，藥芯中各種物質(zhì)造氣、造渣，對熔滴和熔池是氣、渣聯(lián)合保護(hù)。明顯改善了焊接工藝性能，熔滴呈噴射過渡，飛濺小，焊縫成型美觀，適合全位置焊接。熔敷速度高于CO2實(shí)心焊絲，是焊條電弧焊的4倍左右。連續(xù)的焊接過程使焊機(jī)空載損耗降低；焊接電流通過很薄的金屬外皮，其電流密度大，增加了電阻熱，提高了熱源利用率，綜合節(jié)能20%-30%（與焊條電弧焊相比）。單位長度焊縫其綜合成本明顯低于焊條電弧焊，而且略低于實(shí)心焊絲。因此，采用藥芯焊絲氣體保護(hù)焊進(jìn)行耐熱鋼工藝管道焊接背面不充氬氣體保護(hù)焊根焊工藝試驗(yàn)研究，不僅能夠保證管道焊接質(zhì)量、工程進(jìn)度，而且可以提高工程施工效率，達(dá)到降低成本的目的。

1 母材焊接性分析及焊接工藝分析

1.1 母材焊接性特點(diǎn)[2]

珠光體耐熱鋼的焊接性與低合金高強(qiáng)鋼相近，焊接中存在的問題主要是冷裂紋、熱影響區(qū)硬化和軟化，以及焊后熱處理或高溫長期使用中的再熱裂紋，在高溫下具有較高的熱強(qiáng)性(δb≥440 MPa)和抗氧化性，并具有一定的抗氫腐蝕能力。由于鋼中含有較高含量的Cr、C和其它合金元素，Ceq= C+Mn /6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 =0.545%，鋼材的淬硬傾向較明顯，焊接性較差。

1.2 焊接工藝選用

金屬粉芯焊絲是由薄鋼帶包裹粉劑組成，電流主要從鋼帶通過，其電流密度大，熔化速度快，同時(shí)焊芯中含有大量的鐵粉、鐵合金和金屬粉，非金屬礦物含量很少，因此它比實(shí)芯焊絲和熔渣型藥芯焊絲具有更高的熔敷速度，較高的熔敷效率，熔渣量少，焊接飛濺少，焊后無需清理，焊縫成形圓滑平整，提高了抗腐蝕及抗硫、硫化氫性能。保護(hù)氣體分別為100%CO2和富氬（80%Ar+20%CO2）,采用試驗(yàn)根焊電源為Miller Pipe Pro 450 RFC，該設(shè)備具有RMD（精確短路控制）技術(shù)[5,6]，通過提早檢測焊絲短路，控制并減少焊接電流上升速度，控制熔滴過渡的飛濺和電弧吹力的大小，保證熔池的穩(wěn)定，使熔滴過渡迅速而有規(guī)律，從而形成高質(zhì)量的焊縫[8]。

2 焊接工藝評定試驗(yàn)

焊接工藝評定按NB/T 47014-2011 《承壓設(shè)備焊接工藝評定》，試驗(yàn)采用15CrMo 耐熱鋼管材，15CrMo鋼化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1，規(guī)格為φ114×12 mm，焊接試驗(yàn)位置立焊，預(yù)熱溫度≥150℃，層間溫度≥200℃，進(jìn)行焊后熱處理：650-700℃×90 min，緩冷。坡口形狀如圖1所示。

表1 15CrMo鋼化學(xué)成分及力學(xué)性能

焊接試驗(yàn)準(zhǔn)備見表2，焊接工藝參數(shù)記錄見表3，圖2是焊接耐熱鋼現(xiàn)場照片，焊縫外觀成形見圖3、圖4。

焊接工藝操作特點(diǎn)：

采用立向下焊連弧打底，調(diào)整好參數(shù)，當(dāng)熔孔熔池形成后，使用直線往復(fù)運(yùn)條手法托著熔池前行，焊絲無需擺動(dòng)，控制焊絲干長8～12 mm，根焊接頭時(shí)，把接頭處打磨出緩坡狀，以保證焊縫背面成型良好。

圖1 坡口形式

圖2 采用RMD技術(shù)焊接耐熱鋼現(xiàn)場照片

編號D 焊接飛濺較小，成形良好，背面焊道斷弧焊時(shí)成形不易突出（焊縫余高低），焊接熔池易掌握；編號E 組為保證層間熔合良好，需要將打底焊道的接頭處打磨到和焊縫其它部位齊平，不得有凸起部位。焊槍和焊道表面垂直，在仰焊部位焊槍的擺動(dòng)幅度要合適，兩側(cè)停留時(shí)間20ms，焊絲干伸長保持8-12mm，焊道厚度保持2.5mm左右。

表2 15CrMo 金屬粉芯藥芯焊絲氣體保護(hù)焊根焊準(zhǔn)備

表3 15CrMo 熔化極氣體保護(hù)焊的焊接工藝參數(shù)

3 試驗(yàn)檢測結(jié)果

圖3 合伯特（D）100% CO2 打底焊縫成形照片

圖4 合伯特（E）80%Ar+20%CO2 打底焊縫成形照片

3.1 無損檢測結(jié)果

由于受管徑影響較大，采用熔化極氣體保護(hù)焊工藝進(jìn)行根焊，存在操作死角部位，焊工焊接技能需進(jìn)一步熟練提高，因此RT 合格率不穩(wěn)定，在施工中可根據(jù)具體工況選擇合適的焊接工藝。無損檢測結(jié)果見表4。

表4 耐熱鋼藥芯焊絲打底免充氬RT 檢測

3.2 金相檢測

根據(jù)GB/T 26955-2011《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)焊縫宏觀和微觀檢驗(yàn)》對焊縫進(jìn)行微觀金相觀察，耐熱鋼焊縫顯微組織均為鐵素體+珠光體。圖7白中色為先共析鐵素體+較多珠光體組織，成分較為均勻；圖5、圖6、圖7中為較多珠光體+鐵素體和少量粒狀貝氏體，組織成分均勻。

圖5 15CrMo RMD 根焊（C）

3.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1-2010 《金屬材料_ 拉伸試驗(yàn)_ 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸性能實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明斷裂位置全部在母材上，抗拉強(qiáng)度達(dá)到要求；根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 232-2010《金屬材料彎曲試驗(yàn)方法》 對焊縫試樣進(jìn)行彎曲試驗(yàn)；根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2654-2008 《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》對焊縫硬度進(jìn)行測試。結(jié)果見表5。

據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229-2007 《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試樣缺口分別取在母材、焊縫、熱影響區(qū)，試樣規(guī)格為10 mm×7.5 mm×55 mm。結(jié)果見表6。

通過對母材、焊縫、熱影響區(qū)的力學(xué)性能試驗(yàn)表明，采用金屬粉芯CO2藥芯焊絲時(shí)其焊接接頭強(qiáng)度略有提高；由沖擊試驗(yàn)表明，采用金屬粉芯藥芯焊絲CO2的常溫沖擊性能略高于實(shí)心焊絲焊接接頭。綜上所述，采用熔化極CO2氣體保護(hù)焊背面免充氬根焊打底+焊條電弧焊填充蓋面，其焊接接頭力學(xué)性能能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 15CrMo RMD 根焊（D）

圖7 15CrMo RMD 根焊（E）

4 結(jié)論

耐熱鋼管道藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊根焊的工藝性能試驗(yàn)研究表明，在大口徑管道施工充氬困難、氬氣供應(yīng)稀缺的工況下，采用藥芯焊絲根焊可以很好地解決管道背面充氬和提高根焊效率。通過對金屬粉芯型藥芯焊絲不同保護(hù)氣體的工藝性能，其力學(xué)性能可以達(dá)到或超過實(shí)心焊絲管內(nèi)充氬的焊接質(zhì)量。由于藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊焊接速度快，當(dāng)耐熱鋼管直徑小于100 mm時(shí)，由于焊工焊槍轉(zhuǎn)動(dòng)曲率半徑增大，需要快速調(diào)節(jié)操作角度對焊工操作的難度加大，焊接質(zhì)量不易保證；但當(dāng)耐熱鋼管道直徑大于159 mm時(shí)，采用藥芯焊絲氣體保護(hù)焊進(jìn)行管道免充氬根焊的焊接優(yōu)勢明顯。

表5 15CrMo 藥芯焊絲和實(shí)心焊絲打底焊力學(xué)性能對比

表6 15CrMo 藥芯焊絲和實(shí)心焊絲打底焊沖擊性能對比

綜上，在大口徑耐熱鋼管道的連續(xù)焊接施工中，金屬粉芯型藥芯焊絲采用富氬（80%Ar+20%CO2）混合保護(hù)氣體條件下，具有熔敷效率高、熔渣少、電弧穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，可以顯著提高熔敷速度并保證焊縫力學(xué)性能，同時(shí)減輕層道間焊縫的清理工作，焊接操作中更易于觀察，更易控制熔池形狀，從而對加工和裝配尺寸的要求精度放寬，提高了勞動(dòng)效率；在保護(hù)氣體為100%CO2的條件下，金屬粉芯型和熔渣型藥芯焊絲焊接工藝性能稍差，但通過選用合適的焊接材料和加強(qiáng)焊接操作人員的技能培訓(xùn)，也能夠達(dá)到焊接要求。