摘 要：文章对耐热钢15CrMoR与铸钢ZG20Cr-32Ni-Nb-LowC 两种材料的焊接性进行了分析，针对两种材料相焊在15CrMoR侧热影响区易出现延迟裂纹及高合金耐热铸件侧易出现应力腐蚀开裂和晶间腐蚀的问题，提出选用Inconel 82焊丝手工氩弧焊，并焊前预热100℃的要求，控制层间温度在100～150℃之间很好地解决了上述焊接出现的问题。通过焊接工艺评定，力学性能完全符合使用要求，把该工艺方案用在产品上达到了很好的效果，大大提高了产品焊缝的一次合格率。
关键词：异种钢 延迟裂纹 Inconel 82焊丝 工艺评定 焊接
由于异种金属之间性能上的差别，焊接异种金属通常要比焊接同种金属困难得多。我公司为某石化企业生产的2万标立/小时制氢装置转化炉冷壁集合管（见图1），其变径接头材质为ZG20Cr-32Ni-Nb-LowC，集合管材质为15CrMoR。由于这两种材料化学成份和力学性能、线膨胀系数和导热性能等差异较大，给焊接带来了一定的困难。下面对两种材料各自的焊接性进行分析如下：
图 1
一、两种材料的焊接性分析
变径接头为静态铸造，材质为ZG20Cr-32Ni-Nb-LowC，其化学成份符合下表的规定：
注：规定按每炉做光谱分析做，化学分析抽验5炉。
该材料国内没有相应的标准，其化学成分完全符合美国SA-351承压元件用奥氏体、奥氏体-铁素体（双相）铸件标准中CT15C等级。这种材料焊接接头易产生热裂纹（凝固裂纹和失塑裂纹等），在450～850℃长期受热时，在热影响区发生铬或钼的碳化物沉淀，并沿晶界沉淀析出，致使晶粒周边形成贫Cr区，在腐蚀介质中即可沿晶粒边界发生晶间腐蚀。此时，外观虽仍呈现金属光泽，但晶粒间已失去联系，敲击时已失去金属声音，钢质变脆。另外，由于这种材料导热系数小和线膨胀系数较大，如冷却速度过快或加热不均匀，会在接头中存在较大的残余应力，在腐蚀介质和表面拉伸应力的联合作用下易产生脆性开裂，大大降低材料的耐蚀性或耐热性。
集合管材质为15CrMoR，化学成份符合GB713-2008的规定。15CrMoR是一种低合金耐热钢，供货状态为正火+回火，其化学成份符合下表：
该钢种含有较多的合金元素。根据国际焊接学会推荐的碳当量计算公式：Ceq为0.574%，按实践经验，当Ceq为0.4～0.6%时，钢材的焊接性不好，需要预热到较高温度，并严格控制焊接工艺才能进行焊接。钢材有较高的淬硬倾向，易产生冷裂纹。生产实践和理论表明：钢材的淬硬倾向、氢含量、拘束应力状态是高强钢产生冷裂纹的三大主要因素，通常焊接要预热150℃以上，以防止产生延迟裂纹。
在施焊15CrMoR与ZG20Cr-32Ni-Nb-LowC时，控制焊接接头的氢含量和选择合适的焊材是控制焊后产生冷裂纹的重要措施。制氢装置长期在高温、高压、临氢条件下工作，这就要求，既要能保证焊缝的化学成份又要保证焊后的力学性能，就材料而言，要求具有良好的抗氢腐蚀、抗回火脆化、抗蠕变脆化、抗再热脆化等性能，所以壳体与变径接头的焊接材料用Inconel 82焊丝或Inconel 182焊条。镍基焊缝金属具有耐高温和抗腐蚀的两大特性，完全能满足产品的使用要求。但选用镍焊条焊接对焊工的要求较高，由于镍基焊缝金属流动性不是很好，且易出现夹渣，特别是角接接头，夹渣缺陷又不易检出，为保证焊接质量，选用镍基焊丝进行氩弧焊焊接，这就从根本上杜绝了夹渣的产生，也保证了焊缝低氢。同时选用这种奥氏体焊材，可以进一步降低对母材预热的要求。
图 2
二、焊接工艺评定
按NB/T47014-2011进行焊接工艺评定，取两块试板，规格为125X500Xδ16mm，材料分别为15CrMoR和ZG20Cr-32Ni-Nb-LowC，并按图2所示加工坡口，焊接材选用φ2.5 Inconel 82焊丝，可以降低预热温度甚至不预热，但考虑到15CrMoR淬硬倾向比较大，同时降低冷却速度和铸件的受热时间，故选择预热温度100℃，层间温度控制在100℃～150℃之间，这样既有利于防止15CrMoR的热影响区产生延迟裂纹，也符合NB/T47015-2011压力容器焊接规程对易产生晶间腐蚀倾向材料层间温度的控制，有效地防止了奥氏体晶粒的长大和碳化物的沿晶析出。并在焊工的操作上尽量采用短弧直进焊，进一步降底焊接线能量，保证焊接质量。
氩弧焊工艺参数如下：
焊接完成24小时后，按JB4730.2-2005进行射线拍片检查，Ⅱ级合格。（标准要求无裂纹合格，考虑到产品焊接质量，按产品的合格要求作为合格标准）。再按NB/T47014-2011制取焊接试件、检验试样、测定性能如下：
以上试验表明：该焊接工艺符合标准要求，接头力学性能优良。
我公司把该种焊接工艺用在产品上达到了很好的效果，对产品焊缝按JB/T4730-2005进行了100%PT表面检测，Ⅰ级合格，产品合格率为100%，大大提高了产品质量。
参考文献
[1]NB/T47014-2011承压设备焊接工艺评定
[2]中国机械工程学会.焊接手册 北京：机械工业出版社，2004.
