2.25Cr-1Mo-0.25V钢焊接规范对接头力学性能的影响

李剑冰， 李 朴， 毕晓敏， 李 丽

（1.兰州兰石重工有限公司， 甘肃 兰州 730314； 2.兰州兰石重型装备股份有限公司， 甘肃 兰州730050）

近年来，随着加工原油日趋重质或超重质化，在生产工艺上出现了重质油的裂化和煤液化等新工艺，常规Cr-Mo钢高温强度、抗氢侵蚀等能力不能满足现代加氢技术的发展。2.25Cr-1Mo-0.25V[1]通过微合金化通提高了钢的淬透性和钢的强度等级；并具有较高的抗高温蠕变性能和抗回火脆化能力，更好的抗氢侵蚀、氢脆和氢致裂纹的能力。

最近，兰州兰石重工有限公司2.25Cr-1Mo-0.25V钢产品较多，主体承压焊缝均采用焊条电弧焊、埋弧焊两种焊接方法，技术条件要求焊接接头需进行-30℃低温冲击，焊材厂家提供的焊条电弧焊、埋弧焊均要求采用小热输入，多层多道焊接，经焊接工艺评定，各项力学性能指标完全满足技术条件要求。本试验主要是验证焊接工艺参数若超出焊材厂家要求，其对接头力学性能尤其-30℃低温冲击韧性的影响，采用大热输入分别焊接焊条电弧焊、埋弧焊试板各一对，钢板为国产舞阳钢厂生产的2.25Cr-1Mo-0.25V，试板规格均为300 mm×125 mm×62 mm，坡口见图1和图2。

图1 埋弧焊坡口示意图（mm）

图2 焊条电弧焊坡口示意图（mm）

1 埋弧焊和焊条电弧焊工艺试验

埋弧焊和焊条电弧焊试验选用焊材与工艺评定相同，采用日本神钢焊材，两对试板焊接工艺参数见表1，焊道示意图见下页图3和图4，坡口与工艺评定形式相同。

表1 焊条电弧焊、埋弧焊焊接规范

图3 埋弧焊焊道示意图（mm）

图4 焊条电弧焊焊道示意图（mm）

两对试板焊后分别进行了（250～300）℃×2 h后热，之后进行了（705±10）℃×（8～10）h 消应力热处理，装炉温度不大于400℃，升温速度不大于60℃/h，降温速度不大于70℃/h，炉冷至400℃出炉空冷。两对试板点焊和打底焊均采用焊条电弧焊，由于该钢具有较大的淬硬性，所以试验点焊和第一层打底焊接采用强度级别低的J507[2]（Φ4 mm）焊条，目的是防止根部焊接接头产生裂纹，反面碳弧气刨将J507焊缝金属刨掉后打磨，并进行100%磁探检测，热处理后，经100%超探+100射线+100%磁探检测，埋弧焊试板起弧边缘处有一处长15 mm夹渣（可避开缺陷取样），其余均合格。

2 焊接工艺试验结果

2.1 化学成分

埋弧焊、焊条电弧焊焊后焊缝金属化学成分见表2，两种方法大热输入量焊接后对化学成分影响不大；通过限制微量元素 P、As、Sb、Sn 含量，可大大提高抗回火脆性的能力，用x¯系数＝[10w（P）+5w（Sb）+4w（Sn）+w（As）]×10-2≤12×10-6[3]来控制（式中 0.01%应以100×10-6代入），这4个元素容易沿晶界偏析，在370～565℃温度区间内长期工作会使钢逐渐变脆。

2.2 力学性能

从表3力学性能看出，埋弧焊采用大热输入焊接，接头综合力学性能较差，尤其常温屈服强度有1个值低于415 MPa；T/4焊缝-30℃低温冲击韧性值均很低在11 J以下；而焊条电弧焊采用较高热输入焊接，除T/2热影响区有一个-30℃低温冲击韧性值低于54 J但大于47 J外，其平均值均大于100 J以上，综合力学性能较高。在多层多道焊时，过高的预热和层间温度都会增大t8/5，会使焊道增厚，其热影响区增宽，导致焊接接头整体韧性下降[2]；对耐热钢而言允许的热输入量E值范围较宽。但E值不能过高，否则会使强度和韧性明显下降。故埋弧焊焊接热输入量须严格按工艺评定要求执行。焊条电弧焊焊接热输入量比工艺评定可提高20%。实践证明焊接耐热钢焊道厚度控制在3 mm内，T预和T层保持在180～300℃范围，热输入量E控制在20～30 kJ/cm[4]时可保证接头力学性能满足技术要求。

表2 焊条电弧焊、埋弧焊焊缝化学成分%

从表3力学性能看出，埋弧焊采用大热输入焊接，接头综合力学性能较差，尤其常温屈服强度有1个值低于415 MPa；T/4焊缝-30℃低温冲击韧性值均很低（在11 J以下）；而焊条电弧焊采用较高热输入焊接，除T/2热影响区有一个-30℃低温冲击韧性值低于54 J但大于47 J外，其平均值均大于100 J以上，综合力学性能较高。在多层多道焊时，过高的预热和层间温度都会增大t8/5，会使焊道增厚，其热影响区增宽，导致焊接接头整体韧性下降[2]；对耐热钢而言允许的热输入量E值范围较宽。但E值不能过高，否则会使强度和韧性明显下降。故埋弧焊焊接热输入量须严格按工艺评定要求执行。焊条电弧焊焊接热输入量比工艺评定可提高20%。实践证明焊接耐热钢焊道厚度控制在3 mm内，T预和T层保持在180～300℃范围，热输入量E控制在20～30 kJ/cm时可保证接头力学性能满足技术要求。

表3 焊条电弧焊、埋弧焊接头力学性能

2.3 金相组织及硬度

2.25Cr-1Mo-0.25V钢由于其合金含量较高约在3～5%范围内，在焊接材料、热处理工艺确定以后，焊接接头的组织与焊接热输入及预热、层间温度影响很大；在低热输入焊接时，热影响区变窄，但是冷速太快容易得到的马氏体组织；在较高的热输入焊接时，可得到贝氏体组织。若热输入过高，如埋弧焊电流I=580～600 A时，可导致焊缝、热影响区晶粒粗大，从而降低缺口韧性。由于Cr-Mo-V钢淬硬倾向大，为防止焊接产生冷裂纹和再热裂纹，可通过提高T预和T层来降低冷却速度，如果T预和T层大于TMf（马氏体转变结束温度），就会使焊接接头部位在焊后不产生M体（马氏体），而造成部分残余奥氏体一直保留到热处理之后，在热处理冷却过程中，这部分残余奥氏体就又可能转变为M体，在其他因素的共同作用下就可能产生冷裂纹；如果T预和T层小于TMf，则焊后奥氏体会转变成M体，经热处理后，这部分M体就因得到回火处理而形成韧性较好的回火马氏体组织，从而避免了冷裂纹产生的危险，这里关键是焊后至热处理之前这段时间里由于马氏体的存在，有产生裂纹的危险，为防止裂纹产生最有效的方法是焊后立即进行（250～300℃）×（2～3 h）后热[4]。

从表4结果知，埋弧焊采用大热输入焊接，热影响区距上下表面1.5 mm处硬度HV10均超过245在260以上，从图5和图6宏观金相照片看出：厚度均为δ=62 mm试件，焊条电弧焊焊道数比埋弧焊多，埋弧焊在超过T/3后每一层焊道较厚，由于其焊接热输入很大，热影响区侧母材咬肉较严重；图7和图8分别对应埋弧焊T/2焊缝冲击值为22 J和T/4焊缝冲击值为5.8 J冲击试样宏观断口照片。从照片看，埋弧焊采用大热输入焊接，焊缝冲击试样断口均为脆性断口，冲击值很低。以上试验结果说明：在多层多道焊时，焊接热输入量越大，冷却速度越慢，加之伴有较高的预热和层间温度，焊道越厚，其热影响区越宽，当焊道厚度超过4 mm，会导致焊接接头硬度很高，接头各区晶粒粗大，强度和韧性都会降低。

表4 焊条电弧焊、埋弧焊接头金相组织及硬度（HV10）

3 结论

通过大量试验，对2.25Cr-1Mo-0.25V钢焊接，既能提高生产效率又能保证焊接质量，对各种焊接方法焊接规范参数提出以下建议：

图5 δ=62 mm埋弧焊宏观照片

图6 δ=62 mm焊条电弧焊宏观照片

图7 埋弧焊T/2焊缝冲击宏观照片

图8 埋弧焊T/4焊缝冲击宏观照片

1）焊条电弧焊最佳规范。焊条CM-A106HD（Φ5.0），电流 I=190～270 A，电压 U=22～26 V，焊速v≥150 mm/min，热输入量 E=20～28 kJ/cm，比工艺评定可提高20%。

2）埋弧焊最佳规范。焊丝US521H（Φ4.0），焊剂PF-500，电流 I=480～550 A，电压 U=30～32 V，焊速v≥350 mm/min，热输入量 E=28～30 kJ/cm，应严格按焊接工艺执行。

3）各种焊接方法预热层间温度。180～300℃，后热温度和（250～300 ℃）×（2～3 h），焊道厚度控制在3 mm内。