15CrMo钢的性能及其焊接方法

陈蓉 李攀峰 陈桂芹

（济南市锅检所 济南 山东 250002

山东澳信石化装备工程有限公司 济南 山东 250217）

山东华宸高压容器有限公司 济南 山东 250101

摘要：从理论和实践两个角度，探讨了15CrMoR材料有关的性能及其焊接工艺。 关键词：15CrMoR；焊接工艺；性能1、引言

焦碳塔是延迟焦化装置的关键设备，其操作条件十分苛刻，操作温度高，温度变化范围大。设备直径从5400-8800mm，由于100%射线检测，整体热处理，焊接质量要求非常严格，目前焦碳塔壳体材料一般采用15CrMoR钢，由于15CrMoR钢焊接性能较差，焊接时极容易产生焊接裂纹，因此探讨一套比较合理的焊接工艺十分必要。 2、15CrMoR耐热钢母材性能

2.1 GB713-2008对15CrMoR的化学成分规定见表1

表1 15CrMoR钢化学成分

牌号 15CrMoR 化学成分（质量分数）% C Si Mn .70 Cr .20 Mo P ≤S ≤

0.12~00.15~00.40~00.80~10.45~0.18 .40 .60 0.025 0.010 2.2力学性能见表2

其金相组织为铁素体+珠光体+少量的贝氏体，晶粒度5-8级。

表2 15CrMoR钢力学性能

拉伸试验 交货状态 钢板 厚度/ mm Rm/ (N/mm) 2冲击 韧性 弯曲 试验 d=3a

ReL/ (N/mm) 2A/% Akv/J (20℃) α=180° 正火+回火 ≥6-60 ≥60-100 450-590 ≥295 ≥275 四件≥19 ≥31 侧弯合格 3 15CrMoR 焊接时存在的问题

15CrMoR中的Cr、Mo合金元素与碳共同作用，使奥氏体稳定性增大，临界冷却速度降低，易产生淬硬组织，导致冷裂纹的产生。这与合金元素与碳的含量、氢的存在及焊接拘束度有关。

15CrMoR属淬硬倾向高的钢种。其母材、焊缝具备固定的塑性储备，塑性变形能力相对较低，易在焊接缺陷处产生应力集中，加之氢的扩散聚集，导致诱发裂纹的临界应力值低，冷裂纹倾向较大。应力状态是引起冷裂纹的直接原因，并会影响氢的分布。15CrMoR焊接接头的应力状态主要有热应力、组织相变应力和接头外部刚性拘束引发的应力相互叠加的结果。氢的直接作用主要为扩散氢，向应力集中部位扩散，当达到氢的临界含量值时，便引发裂纹。来源于焊接材料的水分、坡口上的油污、铁锈及空气中的水分。在高温焊接电弧作用下，分解的氢原子或氢离子大量溶于焊接熔池。小体积熔池在快速冷却凝固过程中，氢来不及逸出，已过饱合状态存在于焊缝，在浓度梯度作用下，焊缝中的过饱和氢在一定温度区间（-100~100℃）扩散。另一方面是由于焊接过程中焊缝金属与母材的成分差异，造成焊缝金属相比于母材在较高温度下进行相变。氢因溶解度及扩散系数因素，从焊缝向热影响区扩散，在熔合线附近形成富氢带。当热影响区进入相变（奥氏体向马氏体转变）温度区间，氢会已过饱合状态残存于马氏体中，促使脆化导致裂纹。 根据表1、2所要求的化学成分，按照美国焊接学会(AWS)提出的公式： CEAWS=w(C)+w(Mn)/6+w(Si)/24+w(Ni)/15+w(Cr)/5+w(Mo)/4+(w(Cu)/13+w(P)/2) 15CrMoR材料CEAWS=0.490＞0.4 以上取成分范围下限值。

当CEAWS值＜0.4（质量分数，%）时，焊接冷裂纹不明显，当0.4，则会在焊接时出现冷裂纹。 4 15CrMoR焊接工艺

15CrMoR焊接在预热状态下进行，焊接线能量不宜过高，否则焊缝金属冷却速度过慢，致使各区的温度过高而使晶粒粗大，影响塑韧性，同时低压短弧操作，以减少合金元素的烧损，保证接头合金成分的一致。 4.1预热温度的选择

预热温度一般先在200-250℃，我公司在对15CrMoR焊接前，进行焊接工艺评定，从试验数据可得到很好的说明。

按JB4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》，焊接厚度为75mm的对接接头试件，试验不预热、预热150℃、预热200℃条件下进行。打底焊选用混合气体保护焊，保护气体80%（Ar）+20%（CO2）填充焊和盖面焊均先用埋弧焊。焊接工艺如表3所示。

表3 对接焊缝焊接工艺参数

焊接 母材 焊接材料 材质 规格 层数 /A H08CrMnSiMoA φ1.2 1 /V 13.0 32.0 40.8 9.0 12.5 29.5 焊缝电流 电压 /（cm/min） （kJ/cm） 电弧焊接速度 热输入/110-130 18-20 15CrMoR H08CrMoA+SJ101 φ4.0 2-15 220-250 26-28 H08CrMoA+SJ101 φ4.0 16-35 560-580 34-36 试件放置24小时后再次进行外观检验,1、2号试件出现裂纹，其余试件完好，对未出现裂纹的试件进行了线射检验，未发现缺陷。 力学性能试验结果如表4所示。

表4 对接焊缝力学性能试验结果

拉伸试验 试验条件 试样号 Rm/ (N/mm) 3 预热150℃ 4 5 预热200℃ 6 570.9 362.7 26 35 无裂纹 579.3 563.4 311.6 357.2 24 26 36 36 无裂纹 无裂纹 573.2 2冲击韧性 A/% 22 Akv/J (20℃) 34 冷弯试验 d=3a α=180° 无裂纹 ReL/ (N/mm) 296.2 2

由上述试验结果知，在不预热条件下，15CrMoR焊接接头出现裂纹；预热150℃时，屈服应力达到290MPa，超过了15CrMoR常温屈服极限。由此，为避免15CrMoR焊接时产生冷裂纹，预热温度必须不低于150℃，一般采用150-200℃。 4.2层间温度的选择

层间温度不得低于预热温度下限，与预热温度的选取一样，层间温度也不能过高。15CrMoR焊接时层间温度一般控制在200-250℃。 4.3 焊后热处理起始温度的选择

15CrMoR焊后如果未经保温，接头的奥氏体组织可能没有完全转变，消除应力加热会促使碳化物沿奥氏体晶界沉淀，这样的组织很脆。但是15CrMoR焊后也不允许冷却到室温再进行回火，因为焊接接头冷却到室温时就有产生冷裂纹的危险。对于15CrMoR来说，最佳后热温度为200-250℃，并保温1h，可基本确保组织转变完毕。 4.4 消除应力热处理温度、恒温时间的选择

15CrMoR冷裂倾向较大，在一定条件下，容易产生延迟裂纹，故焊接接头必须在焊后24h内进行回火处理。回火温度偏低时，回火效果不明显，焊缝金属容易时效而脆化；回火温度过高（超过AC1线），接头又可能再次奥氏体化，并在随后的冷却过程中重新淬硬。一般而言，15CrMoR回火温度为620-640℃。

15CrMoR焊后回火恒温时间不少于1h，才能保证其组织冷却速度小于5℃/min。 5 15CrMoR在焦碳塔制作应用实例

我公司在应用15CrMoR材料之前，进行了钢板对接焊接工艺评定，采取的预热温度为150℃，焊后冷却到150℃，保温1h后进行回火，回火温度为630℃，保温1h，升降温速度均小于5℃/min。焊后对试样进行外观检查、无损检测、拉伸和弯曲试验，结果均合格，这也说明上述焊接工艺是行之有效的。

上述焊接工艺成功应用在反应器等多种压力容器焊接中。 6结论

（1） 试验表明，15CrMoR有较大冷裂倾向，选取预热150-200℃，层间温度200-250℃，可有效

防止冷裂纹产生。

（2） 15CrMoR焊后热处理前，必须冷却至150-200℃，保温1h；回火温度620-640℃，保温时间

不少于1h。

（3） 以上焊接工艺已应用于焦炭塔制造、反应器制造生产实践中，取得满意效果，并获得较大的

经济效益。

参考文献

1 钱昌黔 耐热钢焊接 北京：水利电力出版社，1988

2 周振丰 张文钺，焊接冶金与金属焊接性 [M] 北京：机械工业出版社，1988 3 JB/T4708-2000 钢制压力容器焊接工艺评定 4 GB713-2008 锅炉和压力容器用钢板