焊条电弧焊工艺参数对15CrMo钢HAZ组织和性能的影响文档格式.docx
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1.415CrMo钢的焊接性分析·
1.4.115CrMo的化学成分及性能·
1.4.215CrMo钢的焊接性分析·
4
1.4.315CrMo钢的裂纹分析·
6
2焊接试验
2.1焊接方法·
12
2.2焊接材料·
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2.3焊前准备·
14
2.4焊接工艺规范及试板焊接·
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2.4.1焊接工艺参数·
2.4.2焊接注意事项·
2.4.3焊接试验内容·
2.5试验设备及材料·
2.5.1试验设备·
2.5.2试验材料和尺寸·
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3试样制备及金相、硬度分析
3.1金相试样·
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3.2金相组织观察·
3.3显微硬度测试·
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3.3.1显微硬度测试步骤·
3.3.2测试数据·
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3.4金相、硬度分析·
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3.5小结·
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4结论·
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谢辞·
25
参考文献·
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摘要
15CrMo钢是一种以Cr-Mo为基多元低、中合金珠光体耐热钢。
有时还加入少量的W、Ti、Nb、B等。
其中元素Cr能形成致密的Cr2O3氧化膜，Mo是弱碳化物元素，可以优先溶入固溶体，强化固溶体，工作温度可高达600℃。
所以，珠光体耐热钢中具有很好的抗氧化性和热强性，被广泛用于制造石油管线及锅炉、高压蒸汽管道、蒸汽动力发电设备和其他工业部门。
据资料介绍，因选择焊接工艺和焊接材料不当，珠光体耐热钢热影响区会产生硬化、冷裂纹、热裂纹、软化以及焊后热处理或高温长期使用中的再热裂纹等缺陷。
本文通过采用焊条电弧焊，选择不同的焊接电流、预热温度、焊接层数等工艺参数，观察测试HAZ的组织和性能。
实践证明，选择保证焊缝性能同母材匹配的焊接材料、正确选择预热温度和焊后热处理，即可避免各种缺陷的产生。
关键词：
珠光体耐热钢；
15CrMo钢；
焊条电弧焊；
焊接工艺参数；
预热温度
InfluenceofAlectrodeArcWeldingonthePerformanceof15CrMoinHAZ
ABSTRACT
15CrMosteelisaCr-Mo-basedmulti-low，medium-alloypearliticheat-resistantsteel.SometimesitneedsaddingasmallamountofW,Ti,Nb,Bandsoon．TheelementCrcanformdenseCr2O3oxidefilm；
Mo,aweakcarbideelements,canmergeintosolidsolution,inordertoenhancetheintensity,soit’sworkingtemperaturecanbeashighas600℃.Therefore,thepearliteheat-resistantsteelwithgoodoxidationresistanceandthermalstrong,iswidelyusedinthemanufactureofoilpipelinesandboilers,highpressuresteampiping,steampowergenerationequipmentandotherindustrialsectors.Accordingtotheinformation,becauseoftheimproperchoiceofweldingprocessesandweldingmaterials,theheataffectedzoneofpearliteheat-resistantsteelcouldbreakoutvariousdefects,suchashardening,coldcracking,hotcracking,softening,andpost-weldheattreatmentorlong-termuseofhightemperaturereheaterofdefects.Inthispaper,itusearcweldingelectrodes,chooseadifferentweldingcurrent,preheatingtemperature,weldingprocessparametersandthenobserveandtesttheperformanceoftheorganizationofHAZ.Practicehasprovedthatselectingcorrectmaterialstoensuretheperformanceofweldtmatchingwiththeweldingmaterial,choosingpreheatingtemperatureandpost-weldheattreatmentproperlycanpreventtheemergenceofvariousdefects.
Keywords：
pearliteheat-resistantsteel;
15CrMosteel;
electrodearcwelding;
weldingparameters;
preheatingtemperature
1前言
1.1耐热钢的定义、分类及应用
在高温条件下，具有抗氧化性和足够的高温强度以及良好的耐热性能的钢称作耐热钢。
耐热钢包括抗氧化钢和热强钢两类。
抗氧化钢又简称不起皮钢，一般要求较好的化学稳定性，但承受的载荷较低。
热强钢则要求较高的高温强度和相应的抗氧化性。
耐热钢常用于制造锅炉、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。
这些部件除要求高温强度和抗高温氧化腐蚀外，根据用途不同还要求有足够的韧性、良好的可加工性和焊接性，以及一定的组织稳定性。
中国自1952年开始生产耐热钢。
以后研制出一些新型的低合金热强钢，从而使珠光体热强钢的工作温度提高到600～620℃；
此外，还发展出一些新的低铬镍抗氧化钢种。
耐热钢的分类有以下几种：
（1）珠光体耐热钢
珠光体钢耐热钢中合金元素以铬、钼为主，质量分数总量一般不超过5%。
其组织除珠光体、铁素体外,还有贝氏体。
这类钢在500～600℃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。
如锅炉钢管、汽轮机叶轮、转子、紧固件及高压容器、管道等。
典型钢种有：
16Mo、15CrMo、12Cr1MoV、12Cr2MoWVTiB、10Cr2Mo1以及25Cr2Mo1V、20Cr3MoWV等。
（2）马氏体耐热钢
马氏体钢中含铬的质量分数一般为7～13%，在650℃以下有较高的高温强度、抗氧化性和耐水汽腐蚀的能力，但焊接性较差。
含铬12%左右的1Cr13、2Cr13,以及在此基础上发展出来的钢号如1Cr11MoV、1Cr12WMoV、2Cr12WMoNbVB等，通常用来制作汽轮机叶片、轮盘、轴、紧固件等。
此外，作为制造内燃机排气阀用的4Cr9Si2,4Cr10Si2Mo等也属于马氏体耐热钢。
（3）铁素体耐热钢
铁素体钢中含有较多的铬、铝、硅等元素，形成单相铁素体组织，有良好的抗氧化性和耐高温气体腐蚀的能力，但高温强度较低，室温脆性较大，焊接性较差。
如1Cr13SiAl，1Cr25Si2等。
一般用于制作承受载荷较低而要求有高温抗氧化性的部件。
（4）奥氏体耐热钢
奥氏体钢中含有较多的镍、锰、氮等奥氏体形成元素，在600℃以上时，有较好的高温强度和组织稳定性，焊接性能良好。
通常用作在600℃以上工作的热强材料。
典型钢种有1Cr18Ni9Ti，1Cr23Ni13，1Cr25Ni20Si2，2Cr20Mn9Ni2Si2N，4Cr14Ni14W2Mo等[1]。
尤其指出的是，本课题研究的材料15CrMo钢是一种铬、钼珠光体耐热钢，它是应用于动力工业、石油化工等部门高温条件下的重要材料。
主要用于制造工作温度高于450℃的压力容器、锅炉管道等。
它不仅有很好的抗氧化性、热强性，还有比较好的抗硫腐蚀和抗氢腐蚀性能，并且合金元素含量少，具有较好的工艺性能和物理性能，用途很广。
1.2我国耐热钢的发展
近几年来，随着国家经济建设的发展，我国的国民经济持续高速增长，工业，建筑，冶金钢铁，热处理，航天，矿山，玻璃，石油工业，电力等行业相继快速发展。
这些行业的发展都离不开钢结构，而且所用的钢都不是一般性质的钢。
因为这些都不是一般性质的行业，其设备要求苛刻。
性能太差就会严重影响行业的正常运作。
工业与石油工业设备，锅炉等都需要一定的高温。
所以在这样特殊条件下，对钢的要求就非常严格。
一般新产品的诞生都是随着市场需求而产生的。
耐热钢就是在这种情况下出现的。
耐热钢，能在高温的条件下保持良好的性能，能抗高温。
大部分的耐热钢都是由合金组成，因为合金比单一金属的稳固性更好更强。
我国从50年代就开始生产耐热钢了，从最初的几家企业发展到现在千余家，一些企业也从最初的小规模发展到现在国内知名品牌生产企业。
随着科技的发展，为满足石油行业设备以及管道对钢材的抗高温抗腐蚀日趋苛刻，耐热钢需要更新的技术来解决所面临的问题。
很多企业为解决耐热钢所面临的问题，不断引进新的技术，成立专门的研究部门，研究高性能的耐热钢，以满足市场需求。
在20世纪30年代，经过专业人士的不断的研究，发现了钼。
钼元素对耐热钢的耐热强性有很大的帮助，在碳钢中加入钼，工作温度可以大大的提高。
50年代初，我国引进低合金铬钼钢，并开始大量生产，解决了电站锅炉以及石油化工等耐高温的问题。
再加上其价格便宜，性能好，被广泛的应用于工业生产和其他行业中。
经过不断的开发与研究，引进国外先进的技术，在研究人员的努力下，研制出可在更高温度下使用的低合金热强钢。
耐热钢及其制品的发展空间很大，市场也很广阔[2]。
1.315CrMo钢焊接的基本要求
由于耐热钢广泛应用于石油化工、电力等行业，常用来制造蒸汽导管、石油管道等特殊部件，因此其对焊缝组织致密性、组织连续性、焊缝缺陷等提出了更高的要求，现列如下：
（1）接头的等强性
15CrMo钢焊接接头不仅应具有与母材金属基本相等的室温和高温和高温短时强度，而且适应具有与母材金属相当的高温持久强度。
（2）足够的抗氧化性
15CrMo钢焊接接头应具有与母材金属基本相同的抗氢性和高温抗氧化性。
为此，焊缝金属的合金成分和含量与母材基本相等。
（3）组织的稳定性
15CrMo钢焊接接头在制造过程中，尤其是厚壁接头将经受长时间的多次热处理，在运行过程中将经受长期的高温高压作用。
在这些长时的热作用过程中，接头各区不应产生降低高温持久强度的组织变化，以及由此引起的脆变和软化。
（4）抗脆断性
由于15CrMo钢长用来制造压力容器和管道，在设备受压检修后，都要经历冷启动过程。
因此15CrMo钢焊接接头亦应具有足够的抗脆断性[3]。
1.415CrMo钢的焊接性分析
金属焊接性是金属材料对焊接加工的适应性。
主要是指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度金属焊接性分为工艺焊接性和使用焊接工艺焊接性是指特定的材料在指定工艺条件下形成优质焊接接头的能力；
使用焊接性是指形成的接头适应使用要求的程度，两者都是材料在焊接过程中力学和冶金行为发展变化的结果。
随着新的焊接方法的不断涌现，材料制造工艺的不断完善和新材料的出现，以及生产应用对结构越来越高的性能要求，有关金属焊接性的研究日趋显出其重要的地位。
钢材的焊接性主要取决于它的化学成分，随钢材强度级别的提高，其焊接性变差。
焊接性变差一般表现在两个方面：
一是焊接过程中焊缝熔敷金属的各种冶金缺陷；
二是焊接过程中材料性能的变化[4]。
1.4.115CrMo钢的化学成分及性能
珠光体耐热钢的含Cr量一般为0.5%～9%，含Mo量一般为0.5%或1%。
随着Co、Mo的增加，钢的抗氧化性、高温强度和抗硫化物腐蚀性能也都增加。
在Co-Mo钢中加入少量的W、Ti、Nb等元素后，可进一步提高钢的热强性。
15CrMo钢属Cr-Mo合金系统，为低碳珠光体热强钢，其国标成分和试验中试板成分见下表1.1。
表1.115CrMo钢的成分（质量分数）%
名称
C
Si
Mn
Cr
Mo
S
P
15CrMo
（国标）
0.12～0.18
0.17～0.37
0.40～0.70
0.8～1.1
0.40～0.55
≤0.04
合金元素Cr能形成致密的氧化膜，提高钢的抗氧化性能。
当钢中Cr＜1.5%时，随Cr的增加钢的蠕变强度；
Cr≥1.5%后，钢的蠕变强度随含铬量的增加而降低。
Mo是耐热钢中的强化元素，弱碳化物元素，Mo优先溶入固溶体，强化固溶体。
Mo的熔点高达2625℃，固溶后可提高钢的再结晶温度，有效地提高钢的高温强度和抗蠕变能力。
Mo可以减小钢材的热脆性，还可以提高钢材的抗腐蚀能力。
钢中的V能形成细小弥散的碳化物和氮化物，分布在晶内和晶界，阻碍碳化物聚集长大，提高蠕变强度。
V与C的亲和力比Cr和Mo高，否则V的碳化物高温下聚集长大，造成Cr和Mo的固溶强化作用。
钢中W的作用和Mo相似，能强化固溶体，提高结晶温度，增加回火稳定性，提高蠕变强度。
钢中Nb和Ti都是碳化物形成元素，可以析出细小弥散的金属间化合物，提高钢材的高温强度、抗晶间腐蚀和抗高温氧化能力，并可显著提高蠕变强度，改善钢的焊接性。
钢中加入B和稀土元素，可净化晶界，提高晶界强度，组织晶粒长大，提高钢的蠕变强度和高温持久强度等[5][6]。
表1.2是15CrMo钢的室温力学性能。
表1.215CrMo钢的室温力学性能
钢号
热处理状态
取样位置
力学性能
屈服强度
σs/MPa
抗拉强度
σb/MPa
伸长率
δ5（%）
冲击吸收功
AKV/J·
cm-2
930～960℃正火
+680～730℃回火
横向
240
450
59
纵向
230
49
1.4.215CrMo钢的焊接性分析
珠光体耐热钢的焊接性与低碳调质钢相近，焊接中存在的主要问题是冷裂纹、焊接热影响区的硬化、软化以及焊后热处理或高温长时间使用中的消除应力裂纹（SR裂纹）。
如果焊接材料选择不当，焊缝中还有可能产生热裂纹。
（1）15CrMo钢的裂纹敏感性分析
碳当量法（Calculationofcarbonequivalents）是把钢中包括碳在内的合金元素对淬硬、冷裂和脆化的影响折合成碳的相当含量，用以进行焊接性分析的间接试验方法。
碳当量越高，则材料的冷裂敏感性越大，焊接性越差。
该试验中所用的15CrMo钢材是由济南钢铁股份有限公司购进，其厚度为10mm，主要化学成分见下表1.3所示：
表1.3本试验所用15CrMo钢的成分（质量分数）（%）
元素
15CrMo（试板）
0.14
0.28
0.51
0.95
0.45
0.003
0.032
1）焊接热裂纹敏感性分析
依据热裂纹敏感性计算公式见公式1.1，有：
HCS
（1.1）
HCS
=2.2≤4
当HCS≤4时，一般不会产生热裂纹。
HCS越大的金属材料，其热裂纹敏感性分析越高。
该公式适用于一般低合金钢，包括低温钢和珠光体耐热钢。
根据RaileyN.（1977式）经验公式，对于含碳的质量分数为0.08～0.23的钢，其热裂纹敏感性UCS计算公式如下式1.2：
UCS=230C+75P+45Nb-5.4Mn-1（1.2）
裂纹敏感值为0。
15CrMo钢的UCS值为：
UCS=230*0.14+75*0.032-123*0.28-5.4*0.51-1=-6.1<
有上可以看出，15CrMo钢的热裂纹可能性比较小。
2）焊接冷裂纹敏感性分析
①国际焊接学会（ⅡW）推荐公式如下公式1.3，有：
CE=
（1.3）
使用国际焊接学会（ⅡW）推荐的碳当量公式时，对于板厚δ<
20mm的钢材，当CE<
0.4%时，淬硬倾向不大，焊接性良好，焊前不需要预热；
CE=0.4%～0.6%时，尤其CE>
0.5时，钢材易淬硬，表明焊接性变差，焊接时需预热才能防止裂纹，随板厚增大到预热温度要相应提高。
如上计算，本试验试板的CE>
0.5%，淬硬倾向大。
②美国焊接学会提出的公式如式1.4:
Ceq=
（1.4）
使用美国焊接学会（AWS）推荐的碳当量公式时，应根据计算出来的某钢种的碳当量再结合焊件的厚度查找相应图表。
结合本实验结果，可查得相应结果为：
淬硬性大。
③日本的JIS和WES推荐计算公式如下式1.5：
Ceq（JIS）=
（1.5）
Ceq（JIS）=
使用日本工业标准（JIS）推荐的碳当量公式时，当板厚δ<
25mm和采用焊条电弧焊时，对于强度级别为500MPa的钢材，碳当量界限为0.46%，高于此界限，表明淬硬倾向大，而上式计算结果Ceq>
0.46%。
3）焊接再热裂纹敏感性分析
预测低合金结构钢时，根据合金元素对消除应力裂纹敏感性的影响，可采用消除应力裂纹敏感性指数法进行评定。
其中ΔG法公式见如下公式1.6：
ΔG=Cr+3.3Mo+8.1V-2+10C（%）（1.6）
ΔG=0.95+3.3*0.45+8.1*0-2+10*0.14=1.835
当ΔG≥2时，对消除应力裂纹敏感；
1.5≤ΔG＜2时，对产生消除应力裂纹较敏感；
ΔG＜1.5时，对消除应力裂纹不敏感[2]。
本实验上式计算结果表明，该15CrMo钢试板对消除应力裂纹较敏感。
1.4.315CrMo钢的裂纹分析
（1）热影响区硬化分析
钢的脆硬性能取决于它的碳含量、合金成分及其含量15CrMo钢中的主要合金元素是铬和钼，在焊接过程中，由于热源对热影响区（HAZ）的影响，加之焊后冷却速度较快，热影响区就易产生脆硬的马氏体组织，变得硬脆。
这将成为接头的薄弱环节。
通过控制冷却速度，可以防止热影响区的硬化，通过焊接前预热和采用小线能量，可降低冷却速度及焊接峰值温度防止马氏体出现及晶粒粗大。
（2）冷裂纹分析
1）冷裂纹的特征
对于15CrMo钢，冷裂纹主要发生在具有缺口效应的焊接热影响区。
冷裂纹的断裂行径，有时沿晶界扩展，有时也穿晶。
冷裂纹可以在焊后立即出现，也有时要经过一段时间才开始少量出现，随着时间增长逐渐增多和扩展。
大量的生产实践和理论研究证明，钢材的淬硬倾向、焊接接头含氢量及其分布以及焊接接头所承受的拘束应力状态是造成冷裂纹的原因。
2）冷裂纹产生机理
①淬硬倾向钢的脆硬倾向主要取决于自身的化学成分，其次是结构的厚度、焊接工艺和冷却条件。
对于15CrMo钢，因为Ceq>
0.5%，在焊接条件下，近缝区的加热温度很高，使奥氏体晶粒发生严重长大，当快速冷却时，粗大的奥氏体将转变为粗大的马氏体。
这种马氏体呈片状，而且在片内有平行的孪晶，是一种脆硬的组织，特别是中厚板的焊接，在焊接热循环决定的冷却条件下，
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