15CrMoR(H)鋼配套焊材研制及其焊接接頭性能研究

王士山，白建斌，李偉，邊境，王學(xué)東，崔曉東

摘要： 焊接是承壓設(shè)備制造過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，承壓設(shè)備配套焊材性能對(duì)承壓設(shè)備的制造質(zhì)量起關(guān)鍵作用，決定承壓設(shè)備的最終性能。研制了用于臨氫環(huán)境的15CrMoR（H）用R307L焊條與H08CrMo（H）/JWF201（H）埋弧焊材，對(duì)其焊接工藝及熔敷金屬性能進(jìn)行了研究。特以焊接接頭性能為主要指標(biāo)，采取包括模擬封頭熱成型在內(nèi)的多種熱處理后，試驗(yàn)數(shù)據(jù)依舊保持了優(yōu)異水平。分析焊接接頭微觀組織，其焊縫組織均為鐵素體為主，有少量貝氏體和珠光體。

關(guān)鍵詞：焊接材料;15CrMoR（H）;焊接接頭;模擬熱成型

中圖分類號(hào)：TG457.11? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）10-0107-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.10.18

0? ? 前言

鉻鉬鋼主要應(yīng)用于耐熱環(huán)境，具有良好的高溫強(qiáng)度和高溫抗氧化性能，主要應(yīng)用于電力鍋爐、石油化工、煤化工、動(dòng)力工程等領(lǐng)域[1]。鉻鉬鋼在石化、煤化工領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的是催化、焦化、常減壓等裝置，如使用在臨氫環(huán)境的稱為臨氫鋼，其中15CrMoR（H）鋼得到了大量應(yīng)用。15CrMoR（H）鋼板在高溫下具有持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度和高的耐蝕性、抗氫能力、抗氧化性及抗脆斷能力[2]，因此廣泛用于壓力容器。隨著我國壓力容器向大容量、高參數(shù)方向迅猛發(fā)展，壓力容器行業(yè)對(duì)15CrMoR（H）鋼的需求量必將越來越大[3]。

在高溫臨氫環(huán)境中最高氫分壓超過0.7MPa，操作溫度大于或等于200 ℃，在此條件下工作的碳鋼和低合金鋼除發(fā)生內(nèi)部脫碳、表面脫碳和氫脆等氫損傷外，還需考慮高溫回火脆性問題，對(duì)鋼材和焊材的要求很高。國際上較為認(rèn)可的焊材廠家主要有德國伯樂、日本神鋼、英國曼徹特、美國林肯等公司。國內(nèi)雖有同類焊接材料，但質(zhì)量穩(wěn)定性欠佳，且缺乏完善試驗(yàn)。作為特種焊材的生產(chǎn)廠家，北京金威焊材有限公司針對(duì)臨氫鋼用耐熱鋼焊材做了大量工作，研發(fā)了用于臨氫環(huán)境的15CrMoR（H）耐熱鋼用系列焊材。

1 研制思路

15CrMoR（H）鋼屬于珠光體組織耐熱鋼，在高溫下具有較高的熱強(qiáng)性和抗氧化性，并有一定的抗氫腐蝕能力[4]，但在長期使用過程中會(huì)出現(xiàn)回火脆

化及韌性降低等問題，這種現(xiàn)象通常在375～575℃

溫度范圍內(nèi)長期工作時(shí)出現(xiàn)[5]。為確保使用安全，在抗回火脆性上對(duì)此類鋼種提出了更高的要求。

研究表明，金屬中的雜質(zhì)元素P、As、Sn、Sb等在脆化溫度區(qū)間偏析于晶界，減弱了晶界強(qiáng)度，使金屬的韌性降低，成為引起回火脆化的主要原因[6]，必須嚴(yán)格控制焊縫中P、As、Sn、Sb等雜質(zhì)元素含量。鑒于以上需求，研制臨氫鋼用焊接材料時(shí)均采用精煉原輔材料制作，控制熔敷金屬雜質(zhì)含量，使其性能穩(wěn)定。其中配套焊條采用在國內(nèi)大型鋼廠單獨(dú)定制的精煉H08E芯線，其O、N、H含量極低，P、As、Sn、Sb等有害元素含量得到了有效控制，保證其熔敷金屬X系數(shù)達(dá)到12×10-6以下的水平;其他原輔材料也均為精選的高純粉料，嚴(yán)格控制S、P等雜質(zhì)含量。焊條配方采用高堿度藥皮體系，大理石、螢石、白云石等在焊接過程中對(duì)熔池進(jìn)行充分的渣氣保護(hù)，合理的Mn、Si、Ti等合金配比的加入，使焊接過程中脫氧脫氫更加充分，熔敷金屬雜質(zhì)含量及擴(kuò)散氫含量更低，充分保證了焊縫金屬的低溫沖擊韌性。在保證熔敷金屬性能的同時(shí)，適量加入金紅石改善熔渣熔點(diǎn)，加入石英等礦物粉，優(yōu)化熔滴過渡形式，合理調(diào)整配方各組分，保證了焊條優(yōu)秀的全位置焊接性能。

配套埋弧焊絲為國內(nèi)大型鋼廠單獨(dú)定制精煉，對(duì)Mn、Si、Cr、Mo等主要合金元素配比進(jìn)行了優(yōu)化，保證焊縫金屬成分范圍處于合理區(qū)間，其O、N、H、P、As、Sn、Sb等有害元素含量更是得到有效控制，各項(xiàng)指標(biāo)均有嚴(yán)格的技術(shù)控制要求。配套焊劑采用精選的礦物粉，對(duì)所用原材料的雜質(zhì)元素要求極其嚴(yán)格，其中鎂砂等原料因國內(nèi)產(chǎn)品不能滿足需求，采用進(jìn)口超低硫磷產(chǎn)品代替。合理控制配方中各礦物粉比例，配方堿度控制在2.5～3.0之間，兼顧焊縫純凈度及焊接工藝性能。

對(duì)于焊材的評(píng)價(jià)，焊材廠一般按照國標(biāo)、美標(biāo)以及壓力容器標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熔敷金屬的性能進(jìn)行研究和評(píng)判;而壓力容器制造企業(yè)則是按照實(shí)際焊接工況進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，考察焊接接頭的性能是否合格。二者的差異造成了焊材評(píng)價(jià)結(jié)果的嚴(yán)重不一致性，往往是焊材熔敷金屬符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，而接頭性能不滿足實(shí)際制造使用需求。文中在焊材熔敷金屬性能合格后，以焊接接頭性能為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，采取包括模擬封頭熱成型在內(nèi)的多種熱處理，且所有試驗(yàn)材料、參數(shù)、工藝及過程均模擬設(shè)備制造廠的工藝評(píng)定，以保證焊材在多種工況及要求下均具有良好的適應(yīng)性。

2 研制目標(biāo)

2.1 15CrMoR（H）焊材熔敷金屬化學(xué)成分與力學(xué)性能要求

15CrMoR（H）焊條電弧焊及埋弧焊用焊材熔敷金屬化學(xué)成分及力學(xué)性能目標(biāo)值如表1、表2所示，應(yīng)符合相應(yīng)國標(biāo)及NB/T 47018標(biāo)準(zhǔn)，滿足承壓設(shè)備制造廠提出的化學(xué)成分與性能要求。

2.2 滿足不同熱處理后接頭的性能要求

熱處理是提高與改變鋼材性能的有效措施。在承壓設(shè)備的實(shí)際工程制造中，需要根據(jù)不同的材質(zhì)、不同的部位及板材厚度進(jìn)行不同工藝的熱處理。試驗(yàn)采用板厚為46 mm的母材，接頭形式按相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求;試驗(yàn)的熱處理工藝參照實(shí)際生產(chǎn)需要和用戶技術(shù)協(xié)議，共為4種：675/690 ℃×4 h熱處理、20 h熱處理、模擬熱壓封頭的正火+回火+4 h MIN.PWHT以及正火+回火+20 h MAX.PWHT。模擬熱壓封頭的熱處理工藝主要考慮的是檢驗(yàn)研發(fā)的臨氫鋼焊材按熱壓封頭熱處理工藝后其性能的變化程度，能否滿足多工況使用需求。

3 焊材工藝性能及熔敷金屬性能

根據(jù)上述焊材設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行大量的配方調(diào)試后，量產(chǎn)了用于臨氫環(huán)境的15CrMoR（H）用R307L焊條與H08CrMo（H）/JWF201（H）埋弧焊材。所研制焊材在滿足既定的化學(xué)成分和力學(xué)性能目標(biāo)值的基礎(chǔ)上，同時(shí)具有優(yōu)良的焊接工藝性能。

3.1 焊條電弧焊焊材工藝及熔敷金屬性能

研制的R307L具有優(yōu)良的工藝性能，其電弧穩(wěn)定、飛濺小，焊縫易脫渣，成形美觀，脫渣前后如圖1所示。焊條的國標(biāo)型號(hào)為E5015-G，符合國標(biāo)GB/T 5118-2012、壓力容器標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47018-2017，其熔敷金屬化學(xué)成分見表3，力學(xué)性能見表4?？梢钥闯觯鄯蠼饘匐s質(zhì)含量低，具有優(yōu)良的抗回火脆性，力學(xué)性能優(yōu)異。

3.2 埋弧焊焊材熔敷金屬性能

研制的埋弧焊用焊材，其埋弧焊絲為H08Cr Mo（H），埋弧焊劑為JWF201（H），工藝性能優(yōu)良，焊道成形美觀，坡口內(nèi)脫渣容易，焊縫形貌如圖2所示。焊材符合國標(biāo)GB/T 12470-2018、GB/T 36 037-2018及壓力容器標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47018-2017，其熔敷金屬化學(xué)成分見表5，力學(xué)性能見表6。由表可知，其熔敷金屬雜質(zhì)含量極低，具有優(yōu)良的抗回火脆性，力學(xué)性能優(yōu)異（采用板厚為46 mm的母材）。

4 焊接接頭試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)參數(shù)及熱處理工藝

焊接母材為舞陽鋼鐵的15CrMoR（H）鋼板，尺寸150 mm×400 mm×46 mm，采用U型坡口，埋弧焊用母材鈍邊為6 mm，焊條電弧焊用母材鈍邊為2 mm，焊接參數(shù)如表7所示。

在承壓設(shè)備的實(shí)際工程制造中，需要根據(jù)不同工作環(huán)境、不同部位及板材厚度進(jìn)行不同工藝的熱處理。此次試驗(yàn)的熱處理工藝參照實(shí)際生產(chǎn)需要和用戶技術(shù)協(xié)議，共為4種： ①675 ℃×4 h （以下稱MIN.PWHT）;②675 ℃ ×20 h （以下稱MAX.PWHT）;

③930 ℃×35 min空冷+ 910 ℃×110 min水冷+ 710 ℃

×140 min空冷+ 675 ℃×4 h爐冷 （以下稱模擬熱成型+MIN.PWHT）;④930 ℃×35 min空冷+ 910 ℃×

110 min水冷+ 710 ℃×140 min空冷+ 675 ℃×20 h爐冷 （以下稱模擬熱成型+MAX.PWHT）。注：上述爐冷為隨爐降溫速率110～130 ℃/h，400 ℃以下可出爐空冷。

4.2 焊接接頭試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

焊接接頭試驗(yàn)主要為常溫拉伸試驗(yàn)和-20℃沖擊試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)及取樣方法參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1-2010，NB/T 47016-2011。在1/4板厚及3/4板厚處取拉伸試樣，取樣樣式為緊湊型板接頭帶肩板形拉伸試樣;沖擊試驗(yàn)及取樣方法參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229-2007，NB/T 47016-2011，在試件上表面1/4板厚處取樣，進(jìn)行熱影響區(qū)和焊縫區(qū)沖擊試驗(yàn)，在試件上表面3/4板厚處取樣，進(jìn)行焊縫區(qū)沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)后的實(shí)測數(shù)據(jù)如表8～表11所示。

由表8～表11可知，經(jīng)多種熱處理后，焊接接頭各位置拉伸試驗(yàn)及沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)異，特別是經(jīng)模擬熱成型后，力學(xué)性能仍然保持著優(yōu)良水準(zhǔn)，為熱壓封頭不置換焊肉提供了有力的技術(shù)數(shù)據(jù)支撐。經(jīng)熱處理與模擬熱成型之后，強(qiáng)度有略微下降，符合一般認(rèn)知規(guī)律。模擬熱成型后焊條電弧焊焊縫上層強(qiáng)度與下層強(qiáng)度一致，無明顯區(qū)別，埋弧焊下層強(qiáng)度明顯高于上層。經(jīng)4種熱處理后，-20℃時(shí)的沖擊韌性均表現(xiàn)優(yōu)異，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)下限值。

5 焊縫金屬微觀組織

5.1 焊條電弧焊微觀組織

焊條電弧焊4種熱處理后的焊縫組織均以鐵素體為主，有少量貝氏體和珠光體，如圖3～圖6所示。20 h熱處理與4 h熱處理相比晶粒更加均勻，其沖擊值也更高，焊縫組織與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。通過100倍模擬熱成型后的焊縫組織（左圖）可以看出，晶粒均勻度明顯提高;500倍金相（右圖）可以看出，碳化物分布更加均勻，因此模擬熱成型后的焊縫沖擊吸收功顯著提高。

5.2 埋弧焊微觀組織

埋弧焊熱處理后的焊縫組織均以鐵素體為主，如圖7～圖10所示。20 h熱處理與4 h熱處理相比晶粒均勻度明顯提高，其沖擊值也顯著提高，焊縫組織與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。模擬熱成型后的焊縫組織晶粒尺寸雖有增大，但是均勻度明顯提高，碳化物分布也更加均勻，因此模擬熱成型后的焊縫沖擊吸收功顯著提高。

6 結(jié)論

研制的15CrMoR（H）鋼配套焊材R307L（焊條電弧焊）、H08Cr Mo（H）/JWF201（H）（埋弧焊）熔敷金屬化學(xué)成分和力學(xué)性能完全滿足相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)議的要求，其熔敷金屬雜質(zhì)元素含量極低，抗回火脆化指數(shù)達(dá)到了X系數(shù)≤8×10-6、J系數(shù)≤100的優(yōu)異水平。焊接接頭分別進(jìn)行了4種不同工藝的熱處理后，力學(xué)性能良好，特別是經(jīng)過模擬熱壓封頭的模擬熱成型+MIN.PWHT和模擬熱成型+MAX.PWHT處理后，拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)保持了優(yōu)良水平，為熱壓封頭不置換焊肉提供了有力的技術(shù)數(shù)據(jù)支撐。金威焊材研制的15CrMoR（H）用抗氫鋼焊材性能優(yōu)異，現(xiàn)長期供貨威海石島重工，用于鉻鉬鋼焦炭塔等眾多項(xiàng)目，應(yīng)用反饋良好，可大量替代進(jìn)口產(chǎn)品，積極推動(dòng)焊材國產(chǎn)化進(jìn)程。

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