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15CrMoR与800H异种钢焊接问题《3》  

2007-08-05 13:46:40|  分类: 技术类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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摘 要 本文从一台转化气蒸汽发生器制造过程中遇到的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1 前言

    在我公司为炼油事业部制氢装置制造的设备中,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(图1)。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,评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Φ1400 X 30mm,小端Φ443×60mm,长度为1250mm,大端最大最小直径差为7mm(图2)。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,同时参照当时引进的一台国外设备中异种钢焊接处理方法的启示,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。

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    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(图3)。

    (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。</P

4 结束语

    在现代化工容器的制造中,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。此种方法仅供同行们在遇到类似问题时参考

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