《15CrMoR钢的焊接工艺规程的制定.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《15CrMoR钢的焊接工艺规程的制定.doc（15页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、15CrMoR钢的焊接工艺规程的制定 目录1 绪论12 22223453 15CrMoR 钢的焊接性6 15CrMoR 钢的焊接6115CrMoR615CrMoR 钢的7815CrMoR 钢的815CrMoR 钢的91015CrMoR 钢的1015CrMoR 钢的1015CrMoR 钢的1115CrMoR 钢的1115CrMoR 钢的1115CrMoR 钢的1115CrMoR 钢的1115CrMoR 钢的1115CrMoR 钢的1215CrMoR 钢的1215CrMoR 钢的134 15CrMoR 钢的焊接工艺的拟定14焊接方法的选择1415接头形式及坡口设计15焊接参数的选择16焊条直径16
2、焊接电流16电弧电压17焊接速度18焊接线能量18焊接层数1919焊前准备20焊前预热21焊后热处理225 15CrMoR 钢的焊接工艺评定235.1焊接工艺评定的要求235.2焊接工艺评定指导书235.3 焊接工艺评定报告书26结 论28致 谢29参考文献30 摘要：15CrMoR 钢以其抗氧化性、热强性及抗硫性，价格低廉而在石化行业广泛应用，其焊接主要问题是热影响区硬 化、冷裂纹、软化及焊后热处理时产生再热裂纹。 通过理论分析和焊接工艺试验，确定了 15CrMoR 中板焊接的方法和焊接工艺 措施。 【关键词】15CrMoR；可焊性分析；焊接工艺1母材的组成成分和力学性能1、化学成分：15C
3、rMo钢系珠光体组织耐热钢，在高温下具有较高的热强性（b440MPa）和抗氧化性，并具有一定的抗氢腐蚀能力。由于钢中含有较高含量的Cr、C和其它合金元素，钢材的淬硬倾向较明显，焊接性差。15CrMo化学成分 牌号化学成分（质量分数）（%）CMnSiCrMoNiNb+TaSP15CrMo0.160.550.550.950.500.30_0.0190.0252、15CrMo力学性能 牌号拉力强度MPa屈服强度MPa伸长率（%）15CrMo44064023533024二分析焊接性1 焊接裂纹影响大的元素分析(1)碳由于碳化物的形成，碳在热裂纹中有着重要的作用。在Cr-Mo钢中，当含碳量由0.05%增
4、至0.20%时，裂纹倾向明显增加。在含V量高的钢种中，碳的影响更大。(2)铬Cr的影响是两个方面的。当钢中的含Cr量1.5%时，随着含Cr量的增加，裂纹倾向增大；当含Cr量2.0%时，随含Cr量的增加，裂纹倾向逐渐减小。 (3)钼Mo能够降低蠕变塑性，增加裂纹。其作用是通过对相变特性的影响及碳化钼的析出而实现的。模拟热循环试样缺口应力试验，当Mo的含量为0.21%时，627断裂的时间为1300min，而Mo的含量为0.54%时，断裂时间降为2min，说明Mo含量的增加，提高了钢的再热裂纹的敏感性。 (4)微量杂质元素从金属材料主要元素成分含量相同，而再热裂纹倾向相差很大的事实来看，微量杂质元素
5、起着很大的作用。这是因为这些杂质元素在晶界偏析，促使晶界空穴形成，大大降低金属的蠕变性能。如降低断裂应力和断裂塑性。焊接线能量分析：稍微偏大点的线能量输出可以延长冷却时间，焊接热影响区组织可以避免淬火，并且十分利于氢的逸出，就降低了裂纹倾向，但线能量过高，就引起较大的焊接应力，并在焊缝及热影响区产生过热组织，使晶粒粗大，反而降低焊接接头抗裂性能。预热影响分析：焊接时常用预热方法防止冷裂纹，预热可以减缓焊接接头的冷却速度，适当延长500800区间的冷却时间，这样可以减少或避免淬火组织，有利于氢的逸出。焊后热处理影响：具有延迟特征的焊接冷裂纹主要与氢的扩散和聚集有关，如果焊后很快冷却至100以下，
6、氢来不及逸出，就可能造成延迟裂纹。从碳当量的大小来判断冷裂纹的敏感性CMnSiCrMoNiNb+TaSP15CrMo0.160.550.550.950.500.30_0.0190.025其碳当量（按国际焊接协会IIW）推荐的公式：CeqCMn/6（CrMoV）/5（NiCu）/150.542%当Ceq0.4%时，焊接接头淬硬倾向大，可能出现冷裂纹，而15CrMo钢的Ceq值达0.542%，故15CrMo钢的淬硬倾向大，焊接性差，因此15CrMo钢焊接时，焊接材料的选择和严格的工艺措施，对于防止裂纹，保证使用性能至关重要。从化学元素的含量上热裂纹的敏感CMnSiCrMoNiNb+TaSP15Cr
7、Mo0.160.550.550.950.500.30_0.0190.025热裂纹敏感性分析Hes=C(SPSi/25)1000/(3MnCrMoV) =2.456.36Hes为4时该钢种易产生热裂纹。根部裂纹敏感指数Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Cr/20+Ni/60+Mo/15+V10+5B(%)=0.210.32（%）一般认为CE0.45%, P.Cm0.3%时,材料具有一定的冷裂倾向。综上所述，15CrMo钢有较高的再热裂纹和冷裂纹倾向，再热裂纹的敏感因素再热裂纹形成机理的影响因素有许多，可能是几种因素共同作用的结果，珠光体耐热钢再热处理过程中，当应力集中部位晶界微观局
8、部的实际塑性变形大于该处产生裂纹的临界变形能力时，就形成再热裂纹，实际塑性变形与焊接接头的拘束度、残余应力的大小以及晶粒的大小有关，而晶界杂质的偏析、晶内沉淀强化必然影响到产生裂纹的临界变形值，也就影响到再热裂纹的产生。焊接热影响区粗晶区的晶粒大小对再热裂纹的敏感性也有影响。晶粒度大，裂纹敏感性大；晶粒度小，晶界所占的面积就大，在其它条件均相同的情况下，晶界所能承受的蠕变变形量相对大，产生再热裂纹的倾向也就相应变小。 再热裂纹的特征： (1)产生的部位均在焊接热影响区的过热粗晶区，焊缝、热影响区的细晶区及母材均不产生再热裂纹。裂纹沿熔合线方向在奥氏体粗晶晶界发展，不少裂纹是断续的，再热裂纹具有
9、沿晶间开裂的特征。(2)再热裂纹的产生与再热过程的加热或冷却速度无关。(3)焊后不会发生，只是在焊后进行消除应力处理及焊后高温使用中发生，它有一个敏感的温度区，15CrMoR钢一般在500700，600左右最为敏感。(4)再热裂纹总是出现在拘束应力或应力集中的部位，焊接应力越大越易产生，如焊缝向母材过渡不圆滑、焊缝余高过高、咬肉、焊瘤、未焊透、边缘未熔合等部位都容易产生再热裂纹。晶间杂质析集脆化的作用试验研究指出，再热裂纹的产生与晶界本身的弱化有关，强调杂质在晶界析集而造成脆化，对再热裂纹的脆化起到了主要作用。此外，母材的应力松驰效应对再热裂纹的敏感性也有很大的影响，它表明母材晶界强度的影响。
10、试验表明，再热裂纹敏感性大的钢应力松驰程度低。因而认为，焊接热影响区的晶界弱化和母材的高温应力松驰能力弱，是提高珠光体耐热钢再热裂纹敏感性的重要原因。关于晶界弱化引起再热裂纹敏感性提高的问题，许多焊接专家认为：在500600热处理过程中，由于钢中的杂质元素P、S、Sb、Sn等在晶界偏析的缘故。对具有典型性的P元素含量的研究结果认为，当P含量由0.003%增至0.018%时，引发再热裂纹产生的应力下降，钢材的塑性变形能力也下降晶内沉淀强化的作用在焊接热影响区的过热区，由于加热温度高达1300以上，原强化相碳化物等析出质点固溶于金属中，因焊后冷却快而处于饱和的不稳定状态。在焊后消除应力的热处理过程
11、中，这种过饱和溶解的碳和碳化物形成元素，就以显微颗粒状的各种碳化物(M3C、M7C3、M23C7)形式析出，从而使晶内强化，提高了晶内的屈服强度。而晶界由于其晶格结构的不规则性，并存在晶格缺陷，因此在高温及残余应力的作用下金属将发生滑移变形(或叫蠕变变形)以松驰应力。由于晶内的强化，这种变形就集中在晶界。当这种滑移变形超过晶界变形能力时，就产生了裂纹。 焊缝中的结晶裂纹杂质在晶界析集而造成脆化，对再热裂纹的脆化起到了主要作用。母材的应力松驰效应对再热裂纹的敏感性也有很大的影响，它表明母材晶界强度的影响。500600热处理过程中，由于钢中的杂质元素P、S、Sb、Sn等在晶界偏析的缘故P元素含量的
12、研究结果认为，当P含量由0.003%增至0.018%时，引发再热裂纹产生的应力下降，钢材的塑性变形能力也下降。 蠕变断裂近年来，有更多的人认为，在再热过程中将发生应力松驰，随着应力的降低伴随有蠕变现象。所以可以用蠕变断裂理论来解释再热裂纹的形成。就珠光体耐热钢而言，对于再热条件下的蠕变断裂，可以应用“空穴开裂”加以解释。在应力和温度的作用下，点阵空位能够运动，当空位聚集到与应力方向垂直的晶界上达到足够的数目时，晶界的结合力遭到破坏而产生空洞。在应力的作用下，它们继续扩大，形成裂纹沿晶界断裂。一般来讲，金属凝固或在固态再热处理过程中能够形成亚显微空洞，当金属发生蠕变变形，通过空位的运动、聚集而逐
13、渐长大成为裂纹，另一方面，如果有杂质沿晶界分布，也可作为空洞形核的发源地。应力腐蚀裂纹材料应力腐蚀的特点影响应力腐蚀的因素三相应焊接工艺措施15CrMoR钢的焊接特点15CrMoR钢焊接接头性能的基本要求钢焊接结构在高温、高压和各种腐蚀介质条件下长期安全运行。除了满足常温力学性能的要求外，最重要的是必须具有足够的高温性能，具体要求如下：等热强性原则接头的热强性与母材相当接头不仅应具有与母材金属基本相等的室温和短时高温强度，更为重要的是应具有与母材金属相近的长时高温强度。接头的热强性不仅取决与填充金属的成分，而且与焊接工艺密切相关。因此要获得等强性的接头影响因素很多很复杂接头组织的稳定性要求接头
14、不应产生明显的组织变化，以及由此引起的脆变或软化等性能变化低、中合金钢的焊接性这类钢在焊接中出现的问题与低碳调质钢相似，主要的问题是焊缝及热影响区淬硬性与冷裂纹敏感性、热影响区的软化、在热裂纹及回火脆性。热影响区的软化调质钢焊后其接头热影响区均存在软化问题，低合金耐热钢软化区的金相组织特征是铁素体加上少量的碳化物，在粗视磨片上观察到一条明显的白带其硬度明显下降。软化程度与母材焊前的组织状态。焊接冷却速度和焊后热处理有关。母材合金化程度越高，硬度越高，焊后软化程度越严重。焊后高温回火不但不能使软化区的硬度恢复，甚至还会稍有降低，只有经正火回火才能消除软化问题。软化区的存在对室温性能没有是么不利影
15、响；但在高温长期静载拉伸条件下，接头往往在软化区发生破坏这是因为长期在高温条件下工作时，蠕变变形主要集中在软化区，容易导致在软化区断裂。防止再热裂纹措施再热裂纹一般在500700敏感温度范围内形成，并且出现在残余应力较高的部位，如接头咬边、未焊透等应力集中处，这些部位在加热过程中残余应力释放，蠕变变形较大更容易出现裂纹。为了防止再热裂纹，可采取下列措施：由于15CrMoR钢的焊接特性，焊接时应采取的措施：1）严格控制母材和焊接材料的合金成分，特别是咬限制钒、铌、钛等合金元素的含量到最低的程度。2）选用高温塑性优于母材的焊接材料，并焊接接头的残余应力和应力集中。焊后将焊缝余高和焊趾打磨圆滑。3
16、）采用低热输入焊接工艺和方法，缩小焊接接头过热区的宽度，细化晶粒。4 ）选择合理的热处理制度，避免在敏感温度区间停留较长时间。1）预热：预热有利于减少一些焊接残余应力和减少过热区的硬化，同时还可减少扩散氢含量而减少延迟裂纹，提高预热温度对防止冷裂纹和再热裂纹有效。2）及时进行焊后处理。3）焊接线能量的控制要合适。4)低强度焊缝的应用，目的是造成高塑形的焊缝金属而减少近缝区的应力集中，有利于减少冷、热裂纹。5）消除应力集中，此焊缝不允许有咬边及根部未焊透等缺陷，焊缝不宜过高。6）下料时首选机械加工方法。7）焊材要按制度进行烘干。 四拟定焊接工艺焊接方法的选择生产中多采用焊条电弧焊。这是因为焊条电
17、弧焊与其他熔焊方法相比，具有下列特点：1）操作灵活 焊条电弧焊之所以成为应用最广的焊接方法，主要是因为它的灵活性。由于焊条电弧焊设备简单、移动方便、电缆长、焊把轻，因而广泛应用于平焊、立焊、横焊、仰焊等各种空间位置和对接、搭接、角接、T形接头等各种接头形式的焊接。在车间、野外施工现场均可采用。可以说，凡是焊条能达到的任何位置的接头，均可以采用焊条电弧焊方法焊接。对于复杂结构、不规则形状的构件以及单件、非定型结构的制造，由于可以不用辅助工具、变位机械、胎夹具等就可以焊接，所以焊条电弧焊适用性很广。2）对接头装配要求低 由于焊接过程是由手工操作，可以适时调整电弧位置和运条姿势，及时修正焊接参数，以
18、保证跟踪焊缝和均匀熔透。3）可焊金属多 焊条电弧焊广泛应用于低碳钢、低合金钢结构的焊接。选配相应的焊条，焊条电弧焊也常用于不锈钢、耐热钢、低温钢等合金钢结构的焊接，还可以焊接铸铁、铜合金、镍合金等材料，以及对耐磨、耐蚀等特殊使用要求的构件进行表面堆焊。焊条电弧焊也缺点，与其他电弧焊相比，由于其使用的焊接电流小，每焊完一根焊条后必须更换焊条，以及因清渣而停止焊接等，所以这种焊接方法的熔敷速度慢，焊接生产率低，劳动强度大；施焊过程由手工操作，焊缝质量很大程度上依赖于工人的操作技能及现场发挥；很重要的一点是建立低氢的焊接条件比较困难，焊接时应采用低氢型碱性药皮焊条。焊接参数的选择焊条直径焊条直径可根
19、据焊件厚度、接头型式、焊缝位置、焊道层次等因素进行选择。焊件厚度越大，可选用的焊条直径越大多层焊的第一层焊缝选用细焊条。焊条直径与厚度的关系见表4.1。表4.1 焊条直径与焊件厚度的关系焊件厚度/mm234561213焊条直径/mm23.23.244546焊接电流焊接电流是焊条电弧焊中最重要的一个工艺参数，它的大小直接影响焊接质量及焊缝成形。当焊接电流过大时，焊缝厚度和余高增加，焊缝宽度减少，且有可能造成咬边、烧穿等缺陷；当焊接电流过小时，焊缝窄而高，熔池浅，熔合不良，会产生未焊透、夹渣等缺陷。选择焊接电流大小时，要考虑焊条类型、焊条直径、焊件厚度以及接头型式、焊缝位置、焊道层次等因素。其中最
20、主要焊条直径、焊接位置和焊道层次三大因素。1）焊条直径焊条直径越大，焊接电流就越大，如表4.2所示。表4.2焊条直径与焊接电流的关系焊条直径/mm1.62.02.53.24.05.06.0焊接电流/A2540406550801001301602102602802603002）焊接位置较厚板或T形接头和搭接接头以及施焊环境温度低时，焊接电流应大些；平焊位置焊接时，可选择偏大些的焊接电流；横焊和立焊时，焊接电流应比平焊位置电流小10%15%，仰焊时，焊接电流应比平焊位置电流小10%20%；角焊缝电流比平位置电流稍大些。3）焊道层次在多层焊或多层多道焊的打底焊道时，为了保证背面焊道质量和便于操作，应
21、使用较小电流；焊填充焊道时，为了提高效率，可使用较大的焊接电流；盖面焊时，为了防止出现焊接缺陷，应选用稍小电流。电弧电压电弧电压主要影响焊缝宽度，电弧电压越高，焊缝就越宽，焊缝厚度和余高减少，飞溅增加，焊缝成形不易控制。电弧电压的大小主要取决于电弧长度，电弧长，电弧电压就高；电弧短，电弧电压就低。焊接电弧有长弧与短弧之分，当电弧长度是焊条直径的0.51.0倍时，称为短弧；当电弧长度大于焊条直径时，称为长弧。一般在焊接过程中，希望电弧长度始终保持一致且尽量使用短弧焊接。焊接速度焊接速度主要取决于焊条的熔化速度和所要求的焊缝尺寸、装配间隙和焊接位置等。当焊接速度太慢时，焊缝高而宽，外形不整齐，易产
22、生焊瘤等缺陷；当焊接速度太快时，焊缝窄而低，易产生未焊透等缺陷。在实际操作中，应要把具体情况灵活掌握，以确保焊缝质量和外观尺寸满足要求。焊接线能量线能量是指熔焊时，由焊接能源输入给单位长度焊缝上的能量。其计算公式如下：（J/cm）式中E焊接线能量，J/cm； q电弧有效功率，J/s； v焊接速度，cm/s； 电弧有效功率因数；I焊接电流，A；U焊接电压，V。焊接线能量会影响焊缝的性能和质量，不同的钢材，焊接线能量最佳范围也不一样，一般通过工艺试验来确定线能量的范围，再根据线能量范围确定焊接工艺参数。 焊接层数当焊件较厚时，要进行多层焊或多层多道焊。多层焊时，后一层焊缝对前一层焊缝有热处理作用，
23、能细化晶粒，提高焊缝接头的塑性。因些对于一些重要结构，焊接层数多些好，每层厚度最好不大于45mm。实践经验表明，当每层厚度为焊条直径的0.81.2倍时，焊接质量最好，生产效率最高，并且容易操作。 焊前准备针对15CrMo钢的焊接性及构件的工作特点，保证构件在高温条件下长期安全的运行。查阅焊接手册及相关资料，根据耐热钢焊接接头应具有与母材基本相等的室温和高温短时强度、高温持久强度及焊缝金属的合金成分和含量应下母材基本一致的性能要求，确定了焊接材料。手工电弧焊选用E5515-B2型焊条，埋弧自动焊选用H13CrMoA+HJ431焊接材料进行了焊接工艺评定试验。例。E5515-B2型焊条的化学成分及
24、力学性能如表示： E5515-B2型焊条的化学成分及力学性能 牌号化学成分，力学性能CSiMnMoCrPSsMPabMPa5%Akv(J)温度平均值E5515-B20.070.250.730.531.300.0190.011512.5615.624.818151.0 坡口制备试件采用15CrMo管状,规格为-27322，坡口型式及尺寸见图1。坡口加工采用氧乙炔火焰切割法，为防止厚板火焰切割边缘的开裂，切割前应预热到100以上。试件下料后须对切割边缘用磁粉探伤法检查是否存在表面裂纹，拼接前对坡口及两侧50mm内彻底清除表面铁锈、油污、氧化物等杂质至露出金属光泽。 焊前预热预热温度和层间温度的选择
25、不仅与钢材和焊条的化学成分有关，还与焊接结构的刚性、焊接方法、环境温度等有关，应综合考虑这些因素后确定。另外，预热温度在钢材板厚方向的均匀性和在焊缝区域的均匀性，对降低焊接应力有着重要的影响。局部预热的宽度，应根据被焊工件的拘束度情况而定，一般应为焊缝区周围各三倍壁厚，且不得少于150-200毫米。如果预热不均匀，不但不减少焊接应力，反而会出现增大焊接应力的情况。1)预热温度选为150。采用氧-乙炔焰对试件进行加温，先用测温笔粗略判断试件表面的温度（以笔迹颜色变化快慢进行估计），最后用半导体点温计测定，测量点至少应选择三点，以保证试件整体均达到所要求的预热温度。2)选择合适的填充材料 为保证钢
26、结构的使用性要求，焊缝化学成分应力求接近母材金属成分3）选择合适的焊接参数 尽量采用短弧小热量输入焊接焊条烘焙 E5515-B2型焊条为低氢型碱性药皮焊条，容易吸潮，而焊接材料中的水分是焊接气氛的主要氢源。氢是焊缝产生延迟裂纹的有害化学元素，因此焊条在使用前必须按规定的制度烘干，且随用随取。E5515-B2型焊条烘干制度如表3示：E5515-B2型焊条烘干制度 表3焊条牌号焊条直径烘干温度（）烘干时间（h）保存温度（）E5515-B25.0 350400 12 150施焊采用双面多层焊，施焊层次见图2，工艺参数如表4示。焊接工艺参数 表4焊缝层次焊接方法 填充金属焊接电流电弧电压范围焊接速度牌
27、号直径极性电流(A)(V)cm/min手工电弧焊E5515-B25直反2002432手工电弧焊E5515-B25直反2202630手工电弧焊E5515-B25直反2302828手工电弧焊E5515-B25直反2202630手工电弧焊E5515-B25直反2202630手工电弧焊E5515-B25直反2302828层间控制焊接时要严格控制层间温度，层间温度控制在200300之间。焊接过程中要做到边预热边焊接边保温。背面用碳弧气刨清根，操作前预热。刨削坡口根部半径不小于6mm，坡口角度不小于20，清根后修磨平整并除去渗碳层，进行焊接。焊接后热试件焊后按层间温度作23h的低温后热处理,以消除焊缝中的
28、扩散氢。焊后试件温度不低于300时，可直接覆盖硅酸铝棉层保温缓冷，焊件温度低于300度时加热到300度以上，再覆盖硅酸铝棉层保温缓冷。无损检测试件焊后按JB4730-94压力容器无损检测标准进行100%的超声波探伤检验，焊缝级合格。焊件退火超声波探伤检验合格后及时对焊缝部位进行局部退火处理，以消除焊接残余应力。退火工艺为：升温速度为150/h，升到650保温1.5小时，降温速度100/h，降到300后空冷。 焊后热处理对于15CrMoR钢来说焊后热处理的目的不仅是消除焊接残余应力,更重要的是改善接头组织,提高接头的综合性能,使淬火马氏体变成回火马氏体,降低焊接接头区的硬度,提高韧性、变形能力和
29、高温持久强度并消除内应力.选择回火参数时,应考虑尽量避免在回火脆性及再热裂纹温度范围内进行,并规定在危险区间内快速加热. 在进行焊后热处理时应注意以下几点：1）当焊件中有强烈淬火倾向的珠光体材料时，焊后应立即进行回火。2）为了防止焊接变形，焊前预热的焊件装炉温度不得高于350；焊后立即进行回火的焊接构件装炉温度不低于450。3）升温速度取决于被焊钢材的化学成分、焊件类型和壁厚、加热炉功率等因素。可根据焊件厚度，按20025(h)计算。当焊件厚度25mm时，回火的升温速度应小于200h。4）在回火的保温过程中，大件、厚件温差不超过20。5）进行局部回火时，应保证焊缝两侧有均匀的加热宽度。6）为消
30、除构件的热应力和变形，冷却速度应小于200h或小于20025(h)。（当焊件厚度25时）。有回火脆性的钢构件回火时，温度不能取在脆性温度范围内，通过这一温度区间时应快冷。5焊接工艺评定结论通过撰写本文使我学会了论文的写作方法，并了解了焊接工艺的制定过程：1） 分析材料的化学成分，力学性能；2） 通过碳当量法等分析焊接性；3） 拟定焊接工艺并评定；4） 根据评定结果制定合理的焊接工艺。致 谢首先感谢本人的导师公永建老师，他仔细审阅了本文的全部内容，并对我的毕业设计内容提出了许多建议。公永建老师渊博的知识，诚恳的为人，使我受益匪浅，在毕业设计的过程中，特别是遇到困难时，他给了我鼓励和帮助，在这里我向他表示真诚的感谢！感谢母校河南机电高等专科学校的辛勤培育之恩！感谢材料工程系给我提供的良好学习及实践环境，使我学到了许多新的知识，掌握了一定的操作技能。最后，我非常庆幸在三年的的学习、生活中认识了很多可敬的老师和可亲的同学，并感激师友的教诲和帮助。
