閥門膨脹節(jié)用接管和波紋管焊接工藝的分析

　　介紹了閥門膨脹節(jié)中的接管和波紋管分別選用15CrMo 和304 不銹鋼材料連接的焊接工藝。通過對15CrMo、304 不銹鋼及其異種接頭焊接性分析，對比分別采用Ni 基合金和奧氏體不銹鋼填充材料時(shí)，獲得的焊縫組織，結(jié)合焊接性分析結(jié)果，確定焊接工藝、制定焊接工藝參數(shù)。

1、概述

　　某管道工程中，閥門膨脹節(jié)中的接管和波紋管分別選用15CrMo (珠光體耐熱鋼) 和304 不銹鋼( 奧氏體不銹鋼) 材料制造，然后采用焊接工藝將其連接。15CrMo 和304 不銹鋼雖然都是鐵基合金，但二者成分和性能差距很大，屬異種金屬的焊接。由于不同金屬的化學(xué)成分、物理特性、化學(xué)性能差別較大，異種金屬的焊接比同種金屬焊接復(fù)雜的多。

2、焊接性分析

　　2.1、15CrMo 的焊接性

　　15CrMo 屬于珠光體耐熱鋼，其焊接性與低碳調(diào)質(zhì)鋼相近。焊接有冷裂傾向，焊后熱處理有消應(yīng)力裂紋傾向。15CrMo 的淬硬傾向及冷裂紋敏感性可根據(jù)碳當(dāng)量間接評測。根據(jù)焊接學(xué)會(huì)(ⅡW) 的碳當(dāng)量公式計(jì)算得到15CrMo 碳當(dāng)量CE 為

　　通過式(1) 計(jì)算( 該結(jié)果忽略雜質(zhì)含量，實(shí)際碳當(dāng)量應(yīng)略高于計(jì)算值) 得到15CrMo 的CE 介于0.43% ～0.63% 之間，平均值為0.53%。根據(jù)碳當(dāng)量判定條件，可知15CrMo 焊接必須通過一定溫度的預(yù)熱才能防止裂紋的發(fā)生。根據(jù)Ito - Bessyo 的預(yù)熱溫度計(jì)算公式初步計(jì)算δ = 6mm 預(yù)熱溫度。

　　通過式(2) 計(jì)算可知15CrMo 焊接預(yù)熱溫度應(yīng)介于152 ～189℃之間。防止15CrMo 焊后熱處理消應(yīng)力裂紋傾向的主要工藝措施為通過提高預(yù)熱和層間溫度，采用低熱輸入焊接方法和工藝，縮小焊接接頭過熱區(qū)的寬度，限制晶粒長大，選擇合理的熱處理工藝參數(shù)，盡量縮短敏感溫度區(qū)間的保溫時(shí)間。

　　2.2、304 不銹鋼的焊接性

　　304 不銹鋼是典型的的奧氏體不銹鋼，與其他不銹鋼相比，奧氏體不銹鋼的焊接比較容易，但其具有較高的熱裂紋敏感性，在焊縫及近縫區(qū)都有可能產(chǎn)生熱裂紋。產(chǎn)生熱裂紋的基本原因是由于在焊縫局部加熱和冷卻條件下，焊接接頭部位的高溫停留時(shí)間較長，焊縫金屬及近縫區(qū)在高溫承受較高的拉伸應(yīng)力和應(yīng)變引起。

　　2.3、Ni 基合金的焊接性

　　Ni 基合金具有較奧氏體不銹鋼更高的熱裂紋敏感性。Ni 基合金焊縫金屬較鋼焊縫金屬不易潤濕展開，即使增大焊接電流也不能改進(jìn)焊縫金屬的流動(dòng)性，反而起著有害作用。Ni 基合金熱導(dǎo)率較不銹鋼要低，相同參數(shù)下高溫停留時(shí)間更長。因此要避免高熱輸入帶來的不利影響，宜采用較不銹鋼小的熱輸入進(jìn)行焊接。

　　2.4、15CrMo 與304 不銹鋼異種接頭焊接性

　　15CrMo 與304 不銹鋼焊接時(shí)，兩種母材都要發(fā)生熔化，與填充金屬共同形成焊縫。由于前者合金元素遠(yuǎn)低于后者，因此其熔化進(jìn)入焊縫，會(huì)對整個(gè)焊縫金屬成分產(chǎn)生稀釋作用。

　　在15CrMo 與304 不銹鋼焊接熔池邊緣，由于液態(tài)金屬溫度低，流動(dòng)性差，在液態(tài)停留時(shí)間較短，一般情況下15CrMo 與填充金屬材料的成分有較大差異，熔化的母材金屬在熔池邊緣與填充金屬不能很好的熔合，形成和焊縫金屬成分不同、寬度0.2 ～0.6mm 的過渡層。這區(qū)域可能是高硬度馬氏體或奧氏體加馬氏體組織，而這種組織正是引起焊接裂紋的原因之一。

　　由于15CrMo 含碳量較高，合金元素較少，而304 不銹鋼卻相反。在高溫加熱過程中，一部分碳通過界面由15CrMo 一側(cè)遷移奧氏體一側(cè)，在15CrMo 一側(cè)形成脫碳層，同時(shí)在奧氏體一側(cè)形成增碳層。這個(gè)結(jié)果會(huì)降低接頭高溫持久強(qiáng)度10%～20%。為了防止碳遷移可采用15CrMo 一側(cè)增加碳化物形成元素或在奧氏體焊縫中減少這些元素，在15CrMo 一側(cè)預(yù)先堆焊含強(qiáng)碳化物形成元素或鎳基合金的隔離層，提高奧氏體焊縫中的鎳含量，減少焊縫及熱影響區(qū)高溫停留時(shí)間。

　　15CrMo 與304 不銹鋼的線膨脹系數(shù)相差較大，且304 不銹鋼的導(dǎo)熱能力較差，因此焊后在焊縫和熔合線附近會(huì)產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力。這種殘余應(yīng)力不能通過熱處理的方法消除。如這種接頭在交變溫度下工作時(shí)，15CrMo 側(cè)就可能出現(xiàn)熱疲勞裂紋，使接頭過早斷裂。為防止這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，主要采用的工藝措施為優(yōu)先選用線膨脹系數(shù)與15CrMo 線膨脹系數(shù)相近且塑性好的鎳基材料作為填充金屬，嚴(yán)格控制冷卻速度，并采用焊后緩冷等措施。

　　2.5、焊縫組織分析

　　焊縫金屬成分可通過不同的焊接材料，不同的熔合比進(jìn)行控制。通過分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求，焊縫填充材料可選擇奧氏體不銹鋼焊絲H0Cr21Ni10或ERNiCr-3 焊絲，相關(guān)金屬化學(xué)成分及當(dāng)量值見表1，通過圖1 對焊縫組織進(jìn)行分析。