论文部分内容阅读
[摘 要]本文从15CrMoR与800H异种钢焊接问题入手，结合两种钢材的焊接特性和两种钢材所做工件的结构特点，对两种钢材相焊的工艺方法进行了探讨，并通过论证，制定了切合实际的工艺方案，解决了施工难题，完成了设备制造任务。
[关键词]异种钢 焊接 分析探讨
中图分类号：G704 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）30-0206-01
1 前言
在油田工程建设公司焊接安装过程中，有一台转化气蒸汽发生器。它是制氢装置中的关键设备之一，主体材料为15CrMoR。此设备在制造过程中，对施焊条件的要求较为苛刻，所有零部件的焊接均需在预热150—200℃的条件下进行，施工难度很大。尽管如此，由于Cr-Mo低合金钢的焊接在我公司已有比较成熟的焊接工艺和施焊经验，只要严格按工艺规范进行施工，是完全能够满足设计图样和施工技术条件的。
然而，在设备的结构设计中，考虑到此设备要长期在高温状态下运行，设计人员在转化气入口处，采用了800H材料做为过渡段，与主体15CrMoR材料的管箱焊接的结构型式，从而弥补15CrMoR材料高温强度较低的不足。为设备投产后的安全运行奠定了基础，但同时也为设备的制造提出了难题。
2 难点分析
众所周知，15CrMoR和800H是两种焊接性能截然不同的材料。
一个是以Cr-Mo为基的低合金珠光体耐热钢。焊接时产生冷裂纹的倾向较大（包括热影响区和焊缝金属）而且裂纹往往带有延迟性（扩散氢与焊接残余应力共同作用的结果）。预防冷裂纹产生的主要措施除严格选择低氢型焊接材料，并严格执行烘干制度外，还必须在施焊前对母材进行预热，施焊过程中保待较高的层间温度，以及焊后立即进行消氢处理。
另一个是以Cr-Ni为基的高合金奥氏体耐热钢。它在施焊过程中极易产生的缺陷是焊缝区的热裂纹。所谓热裂纹是焊缝金属从液体凝固成固体时，在凝固点以下的高温区发生的裂纹。防止热裂纹产生的方法，除了要选择好焊接材料以外，还必须在施焊过程中减少热量的输人，尽量采用小的线能量，加快焊后的冷却速度，控制较低的层间温度，并且在无特殊要求时不进行焊后热处理。
此外，两种材料在线胀系数等物理性能方面也相差甚远，使得在两种材料组焊后，造成较大的拘束应力，从而增加了焊接过程中热裂纹产生的倾向。
如何将这样两种焊接特性截然相反的材料组焊在一起，并使组焊后焊接接头的机械性能满足设备结构的需要，是我们要探讨解决的问题。
3 组焊工艺的探讨
首先，针对两种材料的焊接特性及设计技术条件的要求，作了焊接工艺评定，且对产品进行了组对焊接。结果发现，焊接工艺评定所提供的工艺方法和工艺参数，不能满足实际施焊的要求。
原因是，在焊接工艺评定过程中，分别按照两种材料的焊接特点，采用不同的工艺方法，组对时先将15CrMoR的板材预热到150—200℃，然后用选择好的焊材将两块不同材质的板料点焊在一起。由于两块试板处于自由状态，组对时没有拘束，施焊时也是自由的，并且在工艺参数上基本可以满足各自的焊接特性，評定后焊缝的化学成份、机械性能等项要求，均满足了施工技术条件的规定。
而在产品实际的施工过程中，两种材料工件的状况与工艺评定试板不同，15CrMoR工件的几何尺寸Φ1400×30mm，长度为1100mm，最大最小直径差为7mm；800H工件的几何尺寸为大端Φ1400X30mm，小端Φ443×60mm，长度为1250mm，大端最大最小直径差为7mm。两种材料工件的刚性极强。按照焊接工艺评定提供的方法，组对时我们先将15CrMoR侧端口部分进行预热，达到要求的温度后与800H锥体组对点焊。点焊后不久，当15CrMoR侧冷下来，全部焊点均出现了裂纹，反复几次，结果依然相同。这使得后面的焊接无法进行。针对这种情况，结合两种材料的焊接特点和工艺评定中有益的内容，我们反复进行了研究论证，制定出了相应的施焊方案。经过实际产品的试验，较好地解决了上述存在的问题，成功地实现了这两种材料的焊接。
下面就将组焊工艺的主要内容作一个简单地介绍。组焊的主要程序是：先在15CrMoR材料的工件上，用选定的过渡焊材和800H的同种焊材堆焊出一个过渡段，然后再将800H材料的锥体与过渡段组焊。这样就可以成功地避开两种材料直接组焊时，15CrMoR材料的焊前预热、焊后的后热处理及施焊过程中高层间温度的要求。
具体的施焊步骤是：
（1）将15CrMoR材料的筒节与800H材料锥体组对焊缝的端口处，用砂轮打磨致见金属光泽。然后用加热器对端部100mm范围内进行预热，预热温度为150—200℃。当用测温仪测得温度达到要求后，开始用焊接工艺选定好的焊材对端口表面进行堆焊。先用过渡层焊材进行第一层堆焊，焊后进行后热处理并在冷却后对过渡焊层表面进行渗透探伤，在确认没有缺陷时，开始用800H同种焊材继续进行堆焊。每焊—层做一次检验，直到堆焊层的厚度满足8～10mm为止。
（2）对堆焊层部分用砂轮进行修整，并按工艺要求打磨出焊缝坡口，然后与800H的锥体组对。组对时调整好组对间隙和对口错边量，注意避免强力组对，以减少拘束力对悍接过程的影响，从而避免焊接时热裂纹的产生。
（3）此时的焊接是800H材料之间进行的焊接，施焊时应满足800H材料焊接特性的要求。尽量减少热量的输人，采用小电流、多层焊，保持适当的焊接速度，并注意将层间温度控制在50℃左右。每施焊一层作一次检验，直到焊缝焊满为止。
（4）施焊完毕后，对焊缝部位进行了l00%射线检验，除在800H材料侧发现两处气孔、夹渣的缺陷而进行修复外，焊缝的其余部分，包括堆焊的过渡层，射线探伤的结果均满足了设什图样及技术条件的要求。
4 结束语
在容器的制造中，异种金属焊接结构的应用日趋广泛。但由于异种金属的物理化学性能存在的差异，使得异种金属焊接的问题要比同种金属焊接复杂得多。在上面讨论的内容中，我们并没有对其深层次的机理问题进行探讨，只是结合设备的实际结构，对如何实现设计人员提出的要求，采取了有针对性的措施，并取得了较好的效果。
[关键词]异种钢 焊接 分析探讨
中图分类号：G704 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）30-0206-01
1 前言
在油田工程建设公司焊接安装过程中，有一台转化气蒸汽发生器。它是制氢装置中的关键设备之一，主体材料为15CrMoR。此设备在制造过程中，对施焊条件的要求较为苛刻，所有零部件的焊接均需在预热150—200℃的条件下进行，施工难度很大。尽管如此，由于Cr-Mo低合金钢的焊接在我公司已有比较成熟的焊接工艺和施焊经验，只要严格按工艺规范进行施工，是完全能够满足设计图样和施工技术条件的。
然而，在设备的结构设计中，考虑到此设备要长期在高温状态下运行，设计人员在转化气入口处，采用了800H材料做为过渡段，与主体15CrMoR材料的管箱焊接的结构型式，从而弥补15CrMoR材料高温强度较低的不足。为设备投产后的安全运行奠定了基础，但同时也为设备的制造提出了难题。
2 难点分析
众所周知，15CrMoR和800H是两种焊接性能截然不同的材料。
一个是以Cr-Mo为基的低合金珠光体耐热钢。焊接时产生冷裂纹的倾向较大（包括热影响区和焊缝金属）而且裂纹往往带有延迟性（扩散氢与焊接残余应力共同作用的结果）。预防冷裂纹产生的主要措施除严格选择低氢型焊接材料，并严格执行烘干制度外，还必须在施焊前对母材进行预热，施焊过程中保待较高的层间温度，以及焊后立即进行消氢处理。
另一个是以Cr-Ni为基的高合金奥氏体耐热钢。它在施焊过程中极易产生的缺陷是焊缝区的热裂纹。所谓热裂纹是焊缝金属从液体凝固成固体时，在凝固点以下的高温区发生的裂纹。防止热裂纹产生的方法，除了要选择好焊接材料以外，还必须在施焊过程中减少热量的输人，尽量采用小的线能量，加快焊后的冷却速度，控制较低的层间温度，并且在无特殊要求时不进行焊后热处理。
此外，两种材料在线胀系数等物理性能方面也相差甚远，使得在两种材料组焊后，造成较大的拘束应力，从而增加了焊接过程中热裂纹产生的倾向。
如何将这样两种焊接特性截然相反的材料组焊在一起，并使组焊后焊接接头的机械性能满足设备结构的需要，是我们要探讨解决的问题。
3 组焊工艺的探讨
首先，针对两种材料的焊接特性及设计技术条件的要求，作了焊接工艺评定，且对产品进行了组对焊接。结果发现，焊接工艺评定所提供的工艺方法和工艺参数，不能满足实际施焊的要求。
原因是，在焊接工艺评定过程中，分别按照两种材料的焊接特点，采用不同的工艺方法，组对时先将15CrMoR的板材预热到150—200℃，然后用选择好的焊材将两块不同材质的板料点焊在一起。由于两块试板处于自由状态，组对时没有拘束，施焊时也是自由的，并且在工艺参数上基本可以满足各自的焊接特性，評定后焊缝的化学成份、机械性能等项要求，均满足了施工技术条件的规定。
而在产品实际的施工过程中，两种材料工件的状况与工艺评定试板不同，15CrMoR工件的几何尺寸Φ1400×30mm，长度为1100mm，最大最小直径差为7mm；800H工件的几何尺寸为大端Φ1400X30mm，小端Φ443×60mm，长度为1250mm，大端最大最小直径差为7mm。两种材料工件的刚性极强。按照焊接工艺评定提供的方法，组对时我们先将15CrMoR侧端口部分进行预热，达到要求的温度后与800H锥体组对点焊。点焊后不久，当15CrMoR侧冷下来，全部焊点均出现了裂纹，反复几次，结果依然相同。这使得后面的焊接无法进行。针对这种情况，结合两种材料的焊接特点和工艺评定中有益的内容，我们反复进行了研究论证，制定出了相应的施焊方案。经过实际产品的试验，较好地解决了上述存在的问题，成功地实现了这两种材料的焊接。
下面就将组焊工艺的主要内容作一个简单地介绍。组焊的主要程序是：先在15CrMoR材料的工件上，用选定的过渡焊材和800H的同种焊材堆焊出一个过渡段，然后再将800H材料的锥体与过渡段组焊。这样就可以成功地避开两种材料直接组焊时，15CrMoR材料的焊前预热、焊后的后热处理及施焊过程中高层间温度的要求。
具体的施焊步骤是：
（1）将15CrMoR材料的筒节与800H材料锥体组对焊缝的端口处，用砂轮打磨致见金属光泽。然后用加热器对端部100mm范围内进行预热，预热温度为150—200℃。当用测温仪测得温度达到要求后，开始用焊接工艺选定好的焊材对端口表面进行堆焊。先用过渡层焊材进行第一层堆焊，焊后进行后热处理并在冷却后对过渡焊层表面进行渗透探伤，在确认没有缺陷时，开始用800H同种焊材继续进行堆焊。每焊—层做一次检验，直到堆焊层的厚度满足8～10mm为止。
（2）对堆焊层部分用砂轮进行修整，并按工艺要求打磨出焊缝坡口，然后与800H的锥体组对。组对时调整好组对间隙和对口错边量，注意避免强力组对，以减少拘束力对悍接过程的影响，从而避免焊接时热裂纹的产生。
（3）此时的焊接是800H材料之间进行的焊接，施焊时应满足800H材料焊接特性的要求。尽量减少热量的输人，采用小电流、多层焊，保持适当的焊接速度，并注意将层间温度控制在50℃左右。每施焊一层作一次检验，直到焊缝焊满为止。
（4）施焊完毕后，对焊缝部位进行了l00%射线检验，除在800H材料侧发现两处气孔、夹渣的缺陷而进行修复外，焊缝的其余部分，包括堆焊的过渡层，射线探伤的结果均满足了设什图样及技术条件的要求。
4 结束语
在容器的制造中，异种金属焊接结构的应用日趋广泛。但由于异种金属的物理化学性能存在的差异，使得异种金属焊接的问题要比同种金属焊接复杂得多。在上面讨论的内容中，我们并没有对其深层次的机理问题进行探讨，只是结合设备的实际结构，对如何实现设计人员提出的要求，采取了有针对性的措施，并取得了较好的效果。