15CrMoR压力容器的焊接工艺设计.doc

1 绪 论1.1 焊接技术概述 焊接是一种将材料永久性的连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。几乎所有的产品，从几十万吨巨轮到不足克的微电子元件，在生产制造中都不同程度地应用到焊接技术。焊接已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性和寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度。近年来，焊接已由一个单一的加工工艺发展成为有科学基础有广泛应用范围和前景的焊接工程和焊接产业，在这些产业中，焊接在其中占有重要地位，是决定其产品使用安全的关键。有些直接出焊接产品或在现场装焊接后投入使用，有些是作成主体结构然后在其上安装动力和机电设备后应用，有焊接结构的质量和安全保证在整体结构设计合理的情况下，主要决定与焊接联结部位的结构、材料匹配、工艺设计、先进的焊接制造工艺及设备和准确的无损检测技术，这些都决定了焊接联结部位的的内在和外观质量，形成了分布在各工业和基础设施建设部门各具特色的焊接结构行业，同时也形成了结构焊接需要的焊接设备行业和焊接材料行业。这些行业是互相关联促进的行业。焊接结构已有日新月异的发展:在装备制造业结构中用焊接结构局部或全部代替铸件或锻件结构和由局部铸件或锻件焊接成组合结构是大重型结构发展的方向，可大大节约大型铸锻车间及其设备的基本建设投资和生产过程的能源消费，同时还可缩短生产周期;在各种建筑行业广泛采用钢质焊接结构代替钢筋混凝土结构，可达到大跨度、轻自重、工厂造、设计优、工程在建周期短、环境污染少，基础费用省，折除后材料可循环使用，因而符合目前绿色制造和资源循环利用建设节约型社会的大潮流。目前我国微电子及IT行业中的发展，高强有色金属、光钎、超导和复合材料及高分子材料的应用，都对焊接工艺、设备和材料提出了很多新的要求，因而得到了相应发展。 1.2 压力容器的分类压力容器按其承受压力的高低分为常压容器和压力容器。压力容器的分类方法很多，主要的分类方法有以下几种：（1）按设计压力划分，可分为低压容器、中压容器、高压容器、超高压容器。（2）按综合因素划分,在承压等级划分的基础上，综合压力容器工作介质的危害性（易燃，致毒等程度），可将压力容器分为、和类。（3）按容器的用途划分,分为储罐类容器、锅炉气包容器、化工石油设备中的反应器、蒸煮球、合成塔等。1.3 常见的压力容器用钢压力容器用钢常用的材质有：马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢和珠光体钢。其中，珠光体钢在500600有良好的高温强度及工艺性能，价格较低，广泛用于制作600以下的耐热部件，其常见的钢种有：16Mo、15CrMo、12Cr1MoV、12Cr2MoWVTiB、10Cr2Mo1、25Cr2Mo1V、20Cr3MoWV等。其中以15CrMoR钢应用最为典型。1.3.1 15CrMoR压力容器用钢的特点15CrMoR钢属低合金耐热钢，供货状态为正火+回火，组织为铁素体+珠光体，亦称珠光体耐热钢。其最高工作温度为550。这种材料在高温下具有高温持久强度蠕变强度高的耐蚀性抗氢能力抗氧化能力和抗脆断能力。15CrMoR钢的生产工艺如下：冶 炼：采用电炉平炉或纯顶氧吹转炉加炉外精炼工艺进行冶炼。锻 轧：开始温度1200，终止温度850，锻轧后堆冷。热处理：930960正火，670700回火，保温23h。当终轧温度规定的正火温度时，可以终轧代替正火。常温下工作的重要零部件可进行调质处理，淬火温度（90020）空冷，并在670左右进行回火处理。1.3.2 15CrMoR压力容器用钢的应用15CrMoR压力容器用钢是动力工业、石油工业等部门应用于高温条件下的重要结构材料之一，具有抗氧化性和较高的高温强度以及良好的耐热性能。此材料广泛用于壁温小于或等于560的受热面管子，壁温小于或等于550的集箱和蒸气管道以及锅炉大型锻件。15CrMoR钢常用于制造锅炉、汽轮机、动力机械、工业炉和航空、石油化工等工业部门中在高温下工作的零部件。它不仅有很好的抗氧化性和热强性，还有比较好的抗硫腐蚀性能，并且是合金元素含量少，价格便宜，同时具有优良的工艺性能和物理性能，为其他的耐热材料所不及，所以应用很广泛。当前，15CrMoR钢焊接结构已扩大应用于各个工业部门，在各类焊接结构中采用的低合金钢材料已超出百余种。2 15CrMoR材料介绍2.1 15CrMoR的化学成分及力学性能介绍15CrMoR是在碳素钢的基础上加入一定的合金元素所构成,低合金钢中的合金元素一般不超过5%，以提高钢的强度并保证其具有一定的塑性和韧性。主要用于制造各类中低压压力容器，其使用条件复杂，有的盛装易燃易爆物品，有的盛装有毒物品，这些易燃、易爆、有毒物品一旦泄漏，将会造成严重的环境污染并且危害人身安全，因此容器的质量好坏是保证人身安全、防止环境污染的关键所在。15CrMoR作为压力容器用钢，应具备以下要求:首先要具有足够的强度。按现行压力容器设计标准，受压部件的强度计算是以弹性失效为设计准则，以理想化的薄壳理论为依据，虽然已经考虑了安全系数，但在开孔和几何形状不连续处的局部应力已接近或达到材料的屈服强度，因此15CrMoR钢必须具有足够的强度，特别是在经过热加工和多次热处理后要求钢材仍应保证强度性能不低于标准规定的下限值。其次要具有优良的焊接性，压力容器用钢具有优良的焊接性能是保证产品焊接质量的首要条件。第三要具有高的耐蚀性。压力容器用钢应具有足够的耐蚀性以确保压力容器的长期安全运行。与15CrMo低合金钢相比15CrMoR降低了S、P含量，对含碳量下限不作具体规定，化学成份见表1-1。对钢板的表面、内部质量提出更高要求，规定不得有裂纹、结疤、折叠、气泡、夹杂、分层和白点，并经需方要求，应保证超声波探伤质量；同时规定了冲击韧性指标。因此具有更好的塑性、韧性和焊接性能，更好的抗冷脆性能和较小的时效倾向，以保证压力容器的安全性和可靠性，以及低温韧性要求。为了适应较恶劣的操作条件，进一步提高钢的强度和韧性可加入少量的钒、铌、镍等，它们都易于形成强碳化物，同时又细化晶粒，镍是提高钢的韧性，降低韧脆转变温度的最有效的元素。它是使基体本身在低温不易于交叉滑移。从以上的阐述可以看出，15CrMoR是一种机械性能和焊接加工性能高于碳钢的低合金钢，但也要注意它的使用范围和供货的要求，才能更好地保证压力容器选材的有效性、安全性和低成本性。第四要具有良好的塑性和韧性。压力容器用钢具有足够的塑性和韧性储备是压力容器抗脆断的必要条件之一，也是压力容器各种部件、封头、筒体、卷制、热压成形等制造工艺的需要。15CrMoR符合GB6654 1996压力容器用钢板的要求 , 其化学成分和各项性能分别见表2-1 15CrMoR的化学成分、表2-2 15CrMoR的力学性能和冷弯性能、表2-3 15CrMoR的高温屈服强度和表2-4 15CrMoR的许用应力。表2-1 15CrMoR的化学成分（质量分数%）C Si Mn P S Cr Mo 0.120.18 0.150.40 0.400.70 0.030 0.030 0.801.20 0.450.60 表2-2 15CrMoR的力学性能和冷弯性能板厚（mm) 钢板状态 b(Mpa) s(Mpa) 5(%) Akv（J） 冷弯试验180 660 正火加回火 450590 295 19 31 d=3a 60100 275 18 表2-3 15CrMoR的高温屈服强度钢板状态 板厚（mm) 在下列温度()下的屈服强度（Mpa)不小于100 150 200 250 300 350 400 450 500 正火加回火 3660 270 255 240 225 210 200 189 179 174 60100 250 235 220 210 196 186 176 167 162 表2-4 15CrMoR的许用应力钢板状态 板厚（mm) 在下列温度()下的许用应力（Mpa)20 100 150 200 250 300 350 400 425 450 475 500 正火加回火 660 150 150 150 150 141 131 125 118 115 112 110 88 60100 150 150 147 138 131 123 116 110 107 104 103 88 2.2 合金元素在15CrMoR的作用15CrMoR化学成分为:C 0.120.18%,Si 0.150.40 %,Mn 0.400.70 %.碳是最能提高钢材强度的元素,但也易于引起焊接淬硬及焊接裂纹,所以在保证强度的条件下,碳的加入量越少越好.低合金高强钢加入的合金元素有Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、Nb、B等,杂质元素P、S的含量要限制在较低的程度.各种合金元素对低合金钢组织和性能的影响是很复杂的,全面了解其中的规律性是研究、分析和预测各种低合金钢及其焊接接头性能的依据.各种合金元素在不同程度上改变了钢的奥氏体转变动力学,直接影响钢的淬硬倾向.如C、Mn、Cr、Mo、V、W、Ni和Si等元素都能提高钢的淬硬倾向,而Ti、Nb、Ta等碳化物形成元素则降低钢的淬硬倾向.15CrMoR中，氮作为一种合金元素被广泛应用。按照氮在元素周期表中的位置和其原子半径判断，氮在钢中的作用与碳相似。氮能与钢中的其他合金元素形成稳定的氮化物，这些氮化物往往以弥散的微粒分布，从而细化晶粒，提高钢的屈服点和抗脆能力。Cr、Al、Ti和V合金元素对氮具有较高的亲和力，并能形成稳定的氮化物。因此，为了充分发挥氮作为合金元素的作用，钢中必须同时加入Al、V和Ti等氮化物形成元素。所有这些合金元素或者与Fe形成固溶体，或者形成碳化物（除了Ti、Nb和Ta），都产生了延迟奥氏体分解的作用，并由此提高了钢的淬硬倾向。各种元素对15CrMoR的力学性能和工艺性能的影响，取决于它的含量和同时存在的其它合金元素。热轧及正火条件下，合金元素对塑性和韧性的影响与其强化作用相反，即强化效果越大，塑性和韧性降低越多，当钢中的合金元素的含量超出一定范围后会出现韧性大幅度下降。因此，为了保证良好的力学性能和焊接性，要求钢中的含碳量不大于0.22。此外，添加一些合金元素，如Mn、Cr、Mo、V、W、Ni、Si、B和Cu等。添加这些合金元素主要是为了提高钢的淬透性和马氏体的回火稳定性。这些元素可以推迟珠光体和贝氏体的转变，使产生马氏体转变的临界冷却速度降低。15CrMoR具有较高的强度和良好的塑性、韧性和耐高温性，采用不同的合金成分和热处理工艺，可以获得不同性能的钢。钢的强度级别不同，加入的合金元素及其含量也不同，成分设计既要能满足性能要求，又要能满足其经济性。低合金钢的强度越高，屈服强度与抗拉强度比值就越小。抗拉强度与屈服强度之比成为屈强比。强度越高，屈强比越大。低合金高强度钢的发展和在工程结构中的应用日益广泛促进了世界各国对其的开发研究工作的不断深入。同时，冶金技术的进步，尤其是计算机自动控制在冶炼、控温、轧制和热处理等方面的应用，为焊接结构用合金钢的发展提供了重要的技术保证。15CrMoR为了获得满意的强度和韧性的组合，晶粒尺寸必须细小、均匀，而且应是等轴晶。普通低合金C-Cr钢的铁素体晶粒尺寸15-20微米，C-Mn-Al钢的正火约为10微米左右，C-Cr-Nb-Al正火钢约为5微米左右。目前，美、日、德等国家在设计上已经突破了传统的合金化概念，不再是单纯的依靠增加和调整钢中的合金元素来增加钢的性能。在焊接热循环的作用下，焊缝周围处于固态的母材发生明显的组织变化性能的区域称为热影响区（HAZ），热影响区中的不同部位经历了不同的热循环，据熔合区越近，加热的峰值温度越高，加热速度和冷却速度越快，焊后的组织性能变化越大。低合金钢焊接热影响区的组织分布与母材的热处理状态有关。根据热影响区的组织状态不同，其组织可以分为粗晶区、细晶区、不完全重结晶区和结晶区。15CrMoR含碳量小于0.22%，为了提高淬透性，适量加入C、Mn、Cr、Mo、V、W、Ni和Si等合金元素，具有较高的淬硬性。热影响区的显微组织主要是低碳马氏体，贝氏体，M-A组织和珠光体组织。2.3 低合金钢的介绍15CrMoR属于珠光体低合金耐热钢，下面对低合金钢做一些简单的介绍。在钢中有意识的加入一定的合金元素可以大大提高钢的性能,并能获得各种特殊的性能,这种钢成为合金钢.合金元素总含量小于5%的合金钢成为低合金钢.这类钢是以我国的实际出发,充分利用我国资源,利用普通的炼钢设备和炼钢方法炼成的钢种.低合金钢的使用范围已遍及国防、化工、石油、压力容器、工程机械、桥梁、舰船、飞机和其它钢结构。低合金钢中,除了碳以外还含有少量其他元素,如Mn、Cr、Mo、V、W、Ni和Si等合金元素.以提高钢的强度并保证其具有一定的塑性和韧性。许多重要产品在使用了低合金钢后,节省了大量的材料,减轻了结构的重量,提高了产品质量,延长了产品的使用寿命.对低合金钢性能的基本要求:(1)有较高的强度,良好的综合机械性能要求，在热轧和正火状态具有高的强度,特别是高的屈服强度,有较好的塑性和韧性.(2)有良好的焊接性能，低合金结构钢的含碳量低，合金元素含量少，塑性好，不易在焊缝区产生淬火组织及裂纹，且钢中Ti、Nb、V还可抑制焊缝区的晶粒长大，使其焊接性能大大提高。(3)具有一定的耐蚀性在低合金钢中加入合金元素cr=0.20.5%,Wp=0.050.10%以及Al、Cr、Mo等，经某些元素的复合作用，可以使之比碳素钢更高的耐大气、海水、土壤腐蚀的能力，是发展低合金耐蚀钢的重要系列之一。我国从1957年开始试制低合金钢,用来代替碳素结构钢。50多年来,低合金钢有了很大的发展。低合金钢强度高,成本低,适用于冷弯和焊接;使用它可以减轻结构自重,保证使用可靠、耐久;通常是在热轧退火状态下供应,低合金钢中充分利用蕴藏丰富又便宜的锰、硅,及我国富产的钒、钛和稀土元素等,节省了稀缺元素镍与铬;有较低的脆性临界转变温度;生产工艺简单. 低合金高强度钢的发展和在工程结构中的应用日益广泛促进了世界各国对其的开发研究工作的不断深入。同时，冶金技术的进步，尤其是计算机自动控制在冶炼、控温、轧制和热处理等方面的应用，为焊接结构用合金钢的发展提供了重要的技术保证。3 15CrMoR钢的焊接性分析3.1 焊接性能的影响因素钢的焊接性能好坏，主要取决于它的淬透性、回火性和碳的质量分数。在焊接过程中，部分热影响区被加热到近于钢的熔点，其它部分也分别被加热到Ac3以上或Ac1Ac3温度之间。又因为钢本身导热快，迅速的冷却下来，这样，热影响区的热循环分别与淬火，正火或回火的热循环相似。若钢的淬透性过高，在热影响区内必然有马氏体形成，而且近熔合线处的晶粒也将非常粗大，钢的热影响区就有发生脆裂的危险；若碳的质量分数高时，它一方面使钢的淬透性提高，另一方面使形成的马氏体更脆，更硬，在热影响区中远离熔合线的部分，其综合机械性能也会大大降低。因此，希望钢中能含有某些抗回火软化和抗回火脆化的合金元素，为了避免接近熔合线部分的晶粒因受高温而过于粗化，也希望钢中含有一些细化晶粒的合金元素。焊接碳当量（Ceq）与材料焊接热影响区的最高硬度之间，存在着一定的关系。一般情况下，材料的硬度越高，则焊接热影响区的硬度也越高，特别是对于那些加入各种合金元素提高材料强度的非调质钢，表现更为明显。在这些非调质钢中，由于加入合金元素较多，其焊接碳当量增大，焊接热影响区的最高硬度随之提高。这就使出现焊接裂纹的可能性也愈大。3.2 焊接性分析对焊接性影响最大的是C及合金元素的含量，15CrMoR属于低合金珠光体耐热钢，C及合金元素的含量都比较低，总体看来焊接性良好。焊接的问题主要来自两个方面：焊接裂纹和热影响区母材性能的下降，因此15CrMoR焊接性分析的主要问题是裂纹（冷、热、再热）和脆化、软化以及回火脆性等问题。3.2.1 冷裂纹大量的生产实践和理论研究证明,高强钢焊接时产生冷裂纹有三大因素:钢种的淬硬倾向、焊接接头含氢量及其分布、以及接头所承受的拘束应力状态。实际上,高强钢焊接时,产生冷裂纹的机理在于钢种淬硬之后,受氢的诱发和促进使之脆化,在拘束应力的作用下形成了裂纹。3.2.1.1 碳当量的计算与分析钢种的淬硬倾向与该钢种的碳当量含量有直接关联，一般成正比关系。根据国际焊接学会(IIW)推荐的碳当量公式:Ceq =C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5(%)(1)计算得出:Ceq =0.54再采用日本JIS和WES推荐的公式进行计算:Ceq =C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14(%)(2)计算得出:Ceq =0.569按经验,当Ceq 0.60%时,钢材的焊接性不好,需预热到较高温度,并严格控制焊接工艺,才能进行焊接。15CrMoR的碳当量Ceq通过计算为0.54%0.57%左右.一般认为，当碳当量小于0.42时，冷裂纹倾向较小。因此，从碳当量来看，15CrMoR的淬硬倾向较大。如果焊前预热及焊后热处理等工艺措施不采用的话，有发生冷裂纹的可能较大。3.2.1.2 含氢量的影响形成冷裂纹的倾向还有聚集氢的作用，15CrMoR的热影响区的金属在焊接过程中加热到相变温度以上时，便形成奥氏体；冷却时，由于奥氏体一只要冷却到马氏体相变点时才开始转变，再冷却速度较大的情况下，就可能形成马氏体等淬硬组织，而焊缝金属的碳当量比较低，不易淬硬。因此，焊缝组织冷却后得到铁素体，氢在奥氏体中的溶解度比在铁素体中的溶解度大的多，在焊接接头冷却过程中由奥氏体转变为铁素体，氢在铁素体中呈饱和状态。与此同时，氢在两相中的扩散系数也不同，在铁素体中扩散系数比在奥氏体中扩散系数要大,因此，氢会从已变成铁素体的焊缝中迅速溢出，向尚处于奥氏体状态的热影响区扩散，再加上氢在奥氏体中不易扩散。因此，如果焊缝中氢含量较高的话，极易在融合线附近形成一个富氢带，加上相变应力和残余应力的作用，极易发生裂纹。尤其是接头拘束度较大时，焊接残余应力会随之增高，发生裂纹的可能性愈大。3.2.1.3 冷裂纹敏感性的计算裂纹敏感指数Pc是目前应用比较广泛的冷裂纹判据数据。它是以b=5001000 N/mm2的钢种为研究对象,采用斜Y型坡口裂纹试验,建立了化学成份、扩散氢含量、板厚与根部裂纹敏感性的关系,得到了如下的公式:Pc = Pcm+H/60+h/600(3)Pcm =C+Mn/20+Si/30+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+Cu/20+5B(4)其中Pcm合金元素的裂纹敏感系数(%)H焊缝中的扩散氢含量(mL/100g)Pc某钢种产生冷裂纹的敏感指数h板厚(mm)注:H取4 mL/100g;h为50mm根据进厂钢板的化学成分进行计算,得出:Pcm =0.26由此计算出压力容器用15CrMoR钢的冷裂纹敏感指数为:Pc =0.39因为当Pc 0时,即有产生裂纹的可能性，所以15CrMoR钢焊接时易出现冷裂纹。综上所述，15CrMoR钢焊接时易出现冷裂纹，在焊接时要注意此问题。3.2.2 热裂纹倾向判定利用英国Winkinson等人提出的热裂纹敏感性判定计算公式:计算得出:预转化反应器所用15CrMoR的H.C.S=1.27当H.C.S0时，就有可能产生再热裂纹。因此，15CrMoR焊接时易产生在热裂纹。3.2.4 热影响区的脆化15CrMoR钢中的主要合金元素Cr和Mo显著提高了钢的淬硬性,Mo的作用比Cr约大50倍。这些合金元素推迟了冷却过程中的转变,提高了过冷奥氏体的稳定性。在焊接过程中,热输入过小时,易出现过硬组织;热输入过大时,焊缝金属及热影响区晶粒显著变粗。两者明显降低了焊缝金属及热影响区的塑韧性。15CrMoR在冷却速度较大的条件下，可能形成淬硬组织，当热影响区形成淬硬组织时，接头出现脆化倾向，脆化的原因如下:焊接时由于强烈的不均匀加热，使热影响区处在不断改变温度、应力和应变的状态下，焊接过程使热影响区的晶粒变粗，组织呈现出不均匀性，在大多数情况下促使性能变坏。热影响区的最高加热温度分布，决定了热影响区的宽度及离熔合线不同距离各点的基本组织状态。在热影响区里，根据组织的不同，可分为4个区域:(l)熔合区即焊缝金属与母材相邻的熔合线附近，温度处于固液相之间，此区在化学成份和性能上都呈现出较大的不均匀性，靠近母材一侧的金相组织是处于过热状态，塑性很差，这个区域的范围窄，但对接头的强度、塑性都有很大的影响，是产生裂纹，局部脆化破坏最常见的发源地。(2)过热区此区的金属处于过热状态，过热区的温度范围是处于固相线以下到1100C左右，在这样高的温度下，奥氏体晶粒发生严重长大，冷却后获得晶粒粗大的过热组织。15CrMoR的焊接接头，在过热区获得上贝氏体，甚至马氏体，塑性低、韧性差，易产生冷裂纹。(3)正火区此区的温度范围约在l000C一Ac3之间，相当于热处理时的正火处理，组织一般为均匀而细小的铁素体，上面有碳化物沉淀析出。因此，该区域的性能优异。(4)不完全正火区焊接时温度范围处Ac3或Acm线以上的热影响区，该区域只有一部分组织发生相变重结晶的过程，而其他一部分未发生重结晶的铁素体则发生晶粒长大，因此，这区域的组织存有很大的不均匀性，一部分是均匀细小的铁素体和珠光体，另一部分则是粗大的铁素体。以上4个区域的组织特征可见图3-1。图3-1 热影响区四个组织的特征3.2.5 热影响区的软化15CrMoR的焊接接头，在焊前预热和焊后热处理的工艺措施下，热影响区可能出现硬度和强度明显下降的“软化区”。这个“软化区”的组织除了聚集了的碳化物外，大部分是铁素体，同时还有奥氏体分解产物，形成所谓的“白带”组织，因为“白带”组织的出现，长期高温工作时，蠕变变形也很容易集中在这个部位而发生断裂，为了消灭这种组织，预热和焊后热处理温度必须十分谨慎。3.2.6 回火脆化铬钼钢及其焊接接头在370565温度区间长期运行过程中,由于P、As、Sb和Sn沿晶界发生的扩散偏析会产生脆变现象,从而影响接头的塑性.15CrMoR钢的回火脆化与其杂质含量有着密切关系,应严格控制钢中的P,As,Sb,Sn等杂质,同时降低焊缝金属中的Si,Mn等元素的含量,是解决回火脆性的有效措施。3.3 主要焊接缺陷的防止措施3.3.1 防止或减少冷裂纹的措施可用下列措施防止或减少冷裂纹的产生：(1)减少焊接接头是淬硬组织将焊件预热或提高预热温度、适当增加焊接电流、减低焊接速度、控制层间温度不小于预热温度、焊后缓冷或立即热处理，都可减低焊接接头的冷却速度，以减少其淬硬组织。(2)减少焊接接头的含氢量必须严格控制氢的侵入，如对焊件、焊丝要严格清除油和锈、低氢焊条在焊前应严格烘干，以降低焊缝的焊氢量。(3)减少焊件的残余应力。3.3.2 再热裂纹产生的防止措施为防止再热裂纹的产生,应采取如下措施:(1)在保证焊缝热强性的前提下,将V、Ti、Nb、P、As、Sb和Sn的含量控制在最低的容许范围内. (2)选用高温塑性高于母材的焊材.综合考虑埋弧焊,焊丝选用H13CrMo15A+HJ250G,焊条选用E5515B1。(3)采取焊前预热（适当提高预热温度和道间温度）,焊后保温缓冷(后热)的措施。(4)采用较小热输入的焊接工艺和方法,减小焊接过热区宽度,细化晶粒。(5)选择合理的热处理工艺,尽量缩短在敏感温度区间的停留时间.总之如何选择合适的焊接热输入、焊接方法和工艺、合理的热处理工艺及接头形式是保证焊接接头能否安全运行的关键3.3.3 其它问题15CrMoR焊接时产生的其它问题主要由母材中各种合金成分的含量比产生，不可避免其生成，因此，在选择母材是要选择合格的母材，尽量减少焊接缺陷。通过上述15CrMoR钢的焊接性分析可以得知,15CrMoR钢的焊接性稍差。需适当预热才能进行焊接，根据以上碳当量计算公式计算的该钢碳当量为0.54%0.57%，又据JB/T47092000钢制压力容器焊接规程常用钢号推荐的预热温度和施焊环境等因素综合考虑,15CrMoR的焊接预热温度设定为150。4 拟定焊接工艺4.1 焊接方法的确定15CrMoR钢焊接时可以用各种焊接方法焊接，不同的焊接方法对产品质量无显著的影响。通常是根据产品的结构特点、批量、生产条件及经济效益等综合效果来选择焊接方法。生产中常用的焊接方法有手工电弧焊、埋弧焊、钨极气体保护电弧焊、二氧化碳气体保护焊和电渣焊等。手弧焊是各种电弧焊方法中发展最早、目前仍然应用最广的一种焊接方法。它是以外部涂有涂料的焊条作电极和填充金属，电弧是在焊条的端部和被焊工件表面之间燃烧。涂料在电弧热作用下一方面可以产生气体以保护电弧，另一方面可以产生熔渣覆盖在熔池表面，防止熔化金属与周围气体的相互作用。熔渣的更重要作用是与熔化金属产生物理化学反应或添加合金元素，改善焊缝金属性能。手弧焊设备简单、轻便，操作灵活。可以应用于维修及装配中的短焊缝的焊接，特别是可以用于难以达到的部位的焊接。但是它主要是采用手工操作,焊工的劳动强度较大.埋弧焊是以连续送给的焊丝作为电极和填充金属。焊接时，在焊接区的上面覆盖一层颗粒状焊剂，电弧在焊剂层下燃烧，将焊丝端部和局部母材熔化形成焊缝。在电弧热的作用下，上部分焊剂熔化熔渣并与液态金属发生冶金反应。熔渣浮在金属熔池的表面，一方面可以保护焊缝金属，防止空气的污染，并与熔化金属产生物理化学反应，改善焊缝金属的成分及性能；另一方面还可以使焊缝金属缓慢冷却。埋弧焊可以采用较大的焊接电流。与手弧焊相比，其最大的优点是焊缝质量好，焊接速度高。因此，它特别适于焊接大型工件的直缝或环缝。而且多数采用机械化焊接。埋弧焊已广泛用于碳钢、低合金结构钢和不锈钢的焊接。由于熔渣可降低接头冷却速度，故某些高强度结构钢、高碳钢等也可采用埋弧焊焊接.它的主要缺点是:由于埋弧焊是依靠颗粒状焊剂堆积形成保护条件，因此主要适用于水平焊缝。由于埋核焊焊剂的主要成分是氧化锰、二氧化硅等金属及非金属氧化物,难以用来焊接铝、钛等氧化性较强的金属及其合金。只适用于长焊缝的焊接。由于埋弧焊电弧的电场强度较大,电流小100A时，电弧的稳定性不好，因此不适合焊接厚度小于1mm的薄板。本设计的研究对相为厚板压力容器，板厚为50mm。压力容器在工作过程中承受较大的压力，在制作压力容器的过程中，焊缝的力学性能一定要大于母材的力学性能，在制作压力容器过程中同时考虑到生产效率和经济效益，故采用手工电弧焊打底，埋弧焊多层多道焊的焊接方法（焊接顺序见焊接工艺指导书焊接简图）。采用手工电弧焊打底能保证第一层焊缝的力学性能，之后用电弧气刨清根（一方面能达到清理的目的，另一方面还能达到开坡口的目的，节省了资源，同时也提高了工作效率），然后采用埋弧焊焊接，以提高生产效率，这样能够在满足产品性能要求的同时最大限度的降低生产成本。焊接时为使收缩变形均匀，应力较小，采用对称焊法。每一组带焊接后，应在对面焊接对应的焊缝。焊接结束后，用錾子敲碎焊缝上的熔渣，轻轻的敲击焊缝，这样能细化第一道焊缝的金属晶粒，之后再用钢刷清理焊缝。焊接的时候，由于开的是X型坡口，焊接的宽度逐渐加大，所以焊接的的道数也逐渐增多，焊接的方法与之前的焊接方法相同。4.2 焊接材料的选择选择焊接材料最重要的原则就是确保焊缝金属的性能，使之满足产品的技术要求，从而保证产品在服役中正常运行。15CrMoR属于低合金钢,主要用于制造各类中低压压力容器等受力构件，要求焊接接头具有足够的强度，适当的屈服比，足够的韧性和低的时效敏感性，既具有与产品技术条件相适应的力学性能。因此，选择焊接材料时，必须保证焊缝金属的强度、塑性和韧性等力学性能指标不低于母材，同时还要满足产品的一些特殊要求。如中温强度、耐大气腐蚀等。并不要求焊缝金属的合金系统或化学成分与母材完全相同。一般来说，焊缝金属的强度是较易保证的，关键在于保证强度的同时获得良好的塑性和韧性。焊缝从高温快速冷却后得到不平衡组织，合金元素往往以过饱和状态固溶于基体中，从而使焊缝金属的强度上升，塑性、韧性下降。为了消除冷却速度高对性能带来的不利影响，必须调整焊缝的化学成分。一般情况下，希望焊缝的含碳量低于母材，合金元素含量也应比母材稍低，必要时对合金系统作些调整。熔敷金属中C低于母材即可保证焊缝与母材等强。可以估计，如果焊条熔敷金属的化学成分与母材完全相同，在快冷条件下，焊缝金属的强度必将上升，而塑性韧性下降。因此，在选择焊条时的主要依据是保证焊缝与母材的强度级别相匹配。低合金耐热钢焊材的选配原则是焊缝金属的合金成分与强度性能应基本与母材匹配.为提高焊缝金属的抗裂性,通常将焊材中的碳含量控制在低于母材碳含量范围内,同时为防止焊接接头出现再热裂纹及回火脆性,在选择焊材时应注意:在保证焊缝热强性的前提下,将V、Ti、Nb、P、As、Sb和Sn的含量控制在最低的容许范围内。选用高温塑性高于母材的焊材。先对埋弧焊材进行分析选择:通过分析,选择的埋弧焊焊剂为CHF603-H08CrMoA，原因是该焊剂为烧结型碱性焊剂,具有熔敷金属的扩散氢含量低,接头性能优良等特点，其中的焊剂的扩散氢的测定值1.0mL/100g。相比之下,熔炼型焊剂的扩散氢含量高,冷裂纹的倾向会较高,故选择CHF603-H08CrMoA作为与15CrMoR匹配的埋弧焊焊接材料是比较适当的。焊丝、熔敷金属化学成分及机械性能列于表4-1。表4-1 焊丝、熔敷金属化学成分及机械性能焊丝牌号焊剂牌号焊丝的化学成分(%)CMnSiCrMoSPH08CrMoACHF6030.081.210.241.020.450.0080.005焊丝牌号焊剂牌号熔敷金属的化学成分(%)CMnSiCrMoH08CrMoACHF6030.080.120.51.20.20.41.01.50.91.1焊丝牌号焊剂牌号熔敷金属的机械性能b(MPa)5(%)Akv(J)H08CrMoACHF603430600222454再对手工电弧焊的焊材选择:JB/T4709推荐的焊材为R307,熔敷金属扩散氢含量6mL/100g(GB/T5118-1995低合金钢焊条H量的规定)。相应焊材R307B,该焊条是超低氢型低合金钢耐热钢焊条,熔敷金属具有极低的扩散氢含量(为1mL/100g)和极优异的抗裂性能,可进行全位置焊接,在生产应用有很成功的经验。因此在手工电弧焊焊材方面,我们选R307B。4.3 焊前准备焊前准备工作包括：接头和坡口设计、坡口加工、接头清理、焊接装配、工装及焊接设备调整、维护等内容.焊接接头开坡口的根本目的在于确保接头的焊接质量，同时方便焊接过程的进行，并有利于经济性的提高。坡口形式和尺寸的选择，主要根据被焊板材的厚度、焊接方法接头的力学和冶金性能要求，以及施工条件等。4.3.1 接头和坡口的设计及加工一般来说，在选择和设计焊接坡口时，应遵循以下原则：(1).保证焊接质量 确保焊接质量是焊接结构生产的最根本的要求，也是焊接坡口选择和设计的根本出发点。(2)焊接的可焊性 可焊性是选择坡口形式的重要原则之一。一般来说，要根据构件能否翻转、翻转的难易程度或内外两侧的焊接条件来定。对不能翻转的构件或内径较小的容器、转子及轴类零件的对接焊缝，为了避免大量的仰焊和不能或不便从内侧施焊，易采用V型或U型坡口。(3)坡口易于加工 V型坡口和U型坡口均可用气割或等离子切割加工，也可用机械切削加工，但U型坡口和双U型坡口则需要用刨边机加工。因此，从坡口加工的难易程度出发，能采用V型坡口或双V型坡口就不易采用U型或双U型坡口等加工工艺较复杂的坡口类型。(4)焊接效率和经济性 坡口的断面积尽可能小，这样可以降低焊接材料的消耗，减少焊接工作量，提高焊接效率，并节省能源和人工，有利于经济效益的提高。(5)焊接变形易于控制 采用不适当的坡口形式容易产生较大的焊接变形，如果坡口形适宜，工艺合理，则可有效地减小焊接变形。由于埋弧焊可使用较大的焊接电流，电弧具有较强的穿透力，一般不开坡口也能将焊件焊透。但随着罕见厚度增加，焊接电流不能无限提高。为了将焊件悍透，并使焊缝有良好的成形，应在焊件上开坡口。本焊件厚度为50mm,属较厚焊件，可开X形坡口，坡口带钝边。焊缝坡口的加工方法有很多,可以采用机械加工,其加工精度较高,也可采用火焰切割或碳弧气刨等热切割方法.热切割边缘或坡口表面可直接进行焊接，焊前必需清理干净热切割熔渣和氧化皮，切割面缺口应用砂轮修磨成圆滑过渡，机械加工的边缘或坡口面焊前应清除油迹等污物。对焊缝质量要求较高的焊件，焊前最好用丙酮擦净坡口表面。4.3.2 焊件的清理和装配焊件装配前，需将坡口及附近区域表面上的锈蚀、油垢、氧化物、水分等清理干净。可用手工清理，即用钢丝刷，风动和电动砂轮或钢丝轮进行清除；必要时可用氧乙炔焰烘烤焊接部位，以烧掉焊件表面上的油垢和油漆，并烘干水分。机械加工的坡口容易在坡口表面沾染切削液或其他油脂，焊前可用挥发性溶剂将污染部位清洗干净。焊件装配时必须保证焊缝间隙均匀，高低平整不错边。焊件必须用夹具或定位焊缝可靠地固定。定位焊使用R307B焊条定位焊。其位置一般应在第一道焊缝的背面，长度一般不大于30mm，定位焊缝应平整，且不允许有裂纹，夹渣等缺陷。厚板简体内应力大,点固焊时必须预热。预热范围要在点焊部位周围200mm范围内,点焊焊点要长些,约60mm左右,间距为200300mm,点焊时,必须先在纵缝两端装配引弧板,以免焊点剥裂。用R307B焊条点焊,电流可比焊接工艺规定值大10%-20%。本焊接为环缝焊接，不须加装引弧板和引出板。4.3.3 焊接设备调整和维护本焊接选用MZ-1000型埋弧焊，ZX5-400-2型手工电弧焊。焊前应检查接到焊机上的动力线、焊接电缆接头是否松动、接地线是否连接妥当、导电嘴的磨损情况和是否夹持可靠。焊机要进行调试，检查仪表及各部分动作情况，并按要求调好预定焊接参数。焊机启动前，应再次检查焊机和辅助装置的各种开关、旋钮等的位置是否正确、离合器是否可靠接合。无误后再按焊机的操作顺序进行焊接操作。4.3.4 焊接材料的处理焊接材料的处理表4-2焊条烘干工艺可得出。埋弧焊焊剂应严格清理，焊丝表面的油锈及拔丝用的润滑剂都要清理干净，以免污染焊缝成出气孔。埋弧焊剂采用CHF603,为烧结型焊剂, 焊丝、焊剂烘干温度150250，保温2h。回收焊剂要过筛清除焊渣等杂质后才能使用。手工焊焊条R307B焊条烘干温度350400，保2 h，以保证焊缝金属中扩散氢的含量为最低值。表4-2 焊条烘干工艺焊接材料母材强度级别S/MPa烘干温度/C保温时间/h碱性焊条600440540410450470400420350400222酸性焊条410150250124.4 焊前预热和焊后热处理重要构件的焊接、合金钢、高碳钢的焊接及厚部件的焊接，都要求在焊前必须预热。由于15CrMoR属于低合金珠光体耐热钢焊接性较差，需进行焊前预热和焊后热处理。4.4.1 焊前预热和层间温度的控制焊前预热的主要作用如下： 1、预热能减缓焊后的冷却速度，有利于焊缝金属中扩散氢的逸出，避免产生氢致裂纹。同时也减少焊缝及热影响区的淬硬程度，提高了焊接接头的抗裂性。2、预热可降低焊接应力。均匀地局部预热或整体预热，可以减少焊接区域被焊工件之间的温度差。这样，一方面降低了焊接应力，另一方面，降低了焊接应变速率，有利于避免产生焊接裂纹。3、预热可以降低焊接结构的拘束度，对降低角接接头的拘束度尤为明显，随着预热温度的提高，裂纹发生率下降。预热温度和层间温度的选择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150-200mm。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。15CrMoR钢在焊前预热温度为150180,层间温度为150200。以减小焊接时工件的温度梯度及焊后冷却速度，从而减小或避免产生淬硬组织，有利于氢的析出，防止冷裂纹产生。焊前采用电加热带对整条焊缝进行预热，预热宽度为坡口两侧各不小于200mm范围。电加热带放置在外侧焊缝处，内侧用岩棉进行保温。预热过程随时用远红外测温仪测温，保证预热温度的均匀性，温度升至200后断电进行焊接。4.4.2 焊后热处理在下列的情况下要求进行焊后热处理。(1)为了防止延迟裂纹，焊后应立即进行消除应力或消氢处理。(2)厚壁压力容器为了防止由于焊接时在厚度方向存在温差，而形成三向应力场所导致的脆性破坏，焊后应进行消除应力退火。(3)电渣焊接头为了细化晶粒，提高接头韧性，焊后一般要求进行正火或正火+回火处理。(4)对可能发生应力腐蚀开裂或要求尺寸稳定的产品，焊后应进行消应力退火。焊后进行机械加工的构件，在加工前应进行消除应力退火。对于低合金耐热钢来说，焊后热处理的目的不仅是消除焊接应力，而且更重要的是改善金属组织，降低焊缝及热影响区硬度，提高接头的高温蠕变强度和组织稳定性，达到提高接头的综合力学性能的目的。由于低合金耐热钢在370565温度区间长期运行过程具有回火脆性，因此在选择热处理工艺时一定要避免在此温度区间长时间停留。温度的确定：各国制造法规对15CrMoR的焊后热处理温度要求不一，JBT47092000推荐温度为600，其它规范推荐为640680，为此分别做了（62020），（62040）温度下热处理焊接接头的力学性能检测结果见表3-3。表4-3 热处理焊接接头的力学性能PWHT温度接头b(MPa)母材b(MPa)AKVJ焊缝区热影响区母材62040550，600，580510，520，525110，98，9295，90，85180，185500，496485，480，470135，152，145125，106，112199，182，180由此可见，较高的的热处理温度由于提高了组织的稳定性而延长了蠕变断裂时间有利于提高接头的冲击韧度。为此产品的热处理温度选定在（62020）。为避免15CrMoR在370565这一温度带出现材料韧性下降的现象，降温过程中在400以下要加快冷却速度。热处理工艺如图4-1所示。图4-1 热处理工艺焊接接头的后热处理消氢处理，后热处理又称为焊后消氢处理（焊后立即进行）,其作用是降低焊缝中的扩散氢含量,从而减少焊件在整体消除应力热处理之前焊缝产生冷裂纹的倾向。该设备的焊后消氢规范为3002h，同一条焊缝应尽可能连续焊完,如较长时间中断焊接过程,应作后热消氢处理。4.5 焊接工艺参数的选择正确选择焊接工艺参数是获得高生产率和高质量焊缝的先决条件。各种工艺参数的选择是以生产率、焊接材料、焊缝位置和形状，设备情况等为基础的。本课题研究的材料是15CrMoR，主要采用的焊接方法是手弧焊和埋弧焊。它们的焊接工艺参数包括：焊条、焊丝的种类、牌号和直径；焊剂的种类和牌号；焊接电流的种类、极性和大小；焊接电压；焊接速度；焊道层数等。4.5.1 焊条种类、牌号及电源的种类的选择实际工作中主要是根据母材的种类、强度指标、接头刚度和工作环境条件选择焊条。焊一般