12Cr5Mo耐熱合金鋼焊接工藝

張西雷，王 強，劉彥青

中國石油天然氣管道第二工程有限公司，江蘇徐州 221006

耐熱鋼是抗氧化鋼和熱強鋼的總稱?？寡趸撚址Q不起皮鋼或熱穩(wěn)定鋼，它在高溫下能抵抗氧化和其他介質的侵蝕，并有一定的強度，其工作溫度可高達900 ～1 100 ℃；熱強鋼在高溫下具有較高的強韌性和一定的抗氧化性，其工作溫度可高達600 ～ 800 ℃[1]。

12Cr5Mo 是一種含有粒狀珠光體組織和少量鐵素體的具有較好的高溫耐熱性和高溫抗氧化性的鋼材，供貨狀態(tài)下其力學性能良好。但鋼材焊后淬硬傾向明顯增大，沖擊韌性降低，極易出現冷裂紋，焊接性能差，故對焊接工藝要求嚴格，需采取焊前預熱、焊后熱處理等工藝措施確保焊接質量[2]。

12Cr5Mo 鋼管有兩種供貨狀態(tài)，即12Cr5MoⅠ和12Cr5MoNT。符號“Ⅰ”和“NT”屬于鋼牌號的一部分，表示鋼管的交貨狀態(tài)，其中“Ⅰ”為完全退火或等溫回火，“NT”為正火加回火[3]。本文以12Cr5MoⅠφ219 mm×10 mm 的鋼管為例，介紹12Cr5Mo 耐熱合金鋼的焊接工藝。

1 12Cr5MoⅠ耐熱合金鋼的化學成分及力學性能

12Cr5MoⅠ耐熱合金鋼的化學成分見表1，力學性能見表2[3-5]。

2 焊接方法及填充材料

為保證焊接質量，提高焊接工作效率，根據12Cr5MoⅠ耐熱合金鋼的焊接性能，焊接方法選用鎢極氬弧焊根焊，焊條電弧焊填充、蓋面。

為使焊接接頭具有與母材相當的高溫強度及高溫抗氧化性，填充材料選用GB/T 8110—2008 中規(guī)定的ER55—B6（H1Cr5Mo）鎢極氬弧焊焊絲和GB/T 5118—2012 中規(guī)定的E5515—5CMV 低氫型焊條。其化學成分及力學性能分別見表3～6[6-7]。

表1 12Cr5MoⅠ耐熱合金鋼的化學成分（質量分數）/%

表2 12Cr5MoⅠ耐熱合金鋼的力學性能

表3 ER55-B6 焊絲化學成分（質量分數）/%

表4 ER55-B6 焊絲的力學性能

表5 E5515-5CMV 焊條化學成分（質量分數）/%

表6 E5515-5CMV 焊條的力學性能

3 焊前清理及組對

管口組對前，應將坡口表面及其兩側母材內外表面不小于20mm范圍內的氧化物、油污、熔渣、毛刺及其他有害雜質清理干凈，坡口形式及尺寸見圖1。

圖1 坡口形式及尺寸

采用與根焊相同的焊接材料、焊接工藝參數進行定位焊，定位焊縫的長度、厚度和間距應能保證在正式焊接過程中不開裂，每道焊口定位焊縫不得少于2 處，焊縫的長度以10 ～15 mm 為宜。定位焊縫應平滑過渡到母材，焊縫兩端需磨削成斜坡并保證焊透及熔合良好，且無氣孔、夾渣等缺陷。

在現場施工時，當進行鎢極氬弧焊時風速大于2 m/s 或焊條電弧焊時風速大于5 m/s，空氣相對濕度大于90%，或遇到雨、雪環(huán)境等時，應采取保護措施，否則不得施焊[8]。焊前應檢查焊接設備處于完好狀態(tài)，檢查氬氣余量，確保氣體充足。

焊條E5515-5CMV 應按要求進行烘干，烘干溫度為350 ～400 ℃，保溫1 ～2 h。焊條經烘干后，應放置在100 ～150 ℃的保溫筒內隨用隨取，焊條在空氣中暴露時間超過4 h 后應重新進行烘干，重復烘干次數不得超過2 次。焊絲表面若有油污，使用前應進行清理。

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焊前按要求均勻預熱坡口兩側，預熱溫度應不小于200 ℃，預熱范圍為以坡口為中心兩側各100 mm[9]。

4 焊接

焊件達到預熱溫度后應立即進行焊接，焊接過程中道間溫度不得低于預熱溫度。焊接時應對焊縫背面進行內充氬保護，至少焊接完成三層后方可終止內充氬。采用鎢極氬弧焊時，焊絲前端應置于保護氣體中，多層焊時每層的焊接接頭應錯開，并清理道間和層間影響焊接質量的雜質，焊接過程中不允許中斷焊接。中斷焊接時，應采取后熱措施[9]。焊接所用工藝參數見表7。

表7 12Cr5MoⅠ耐熱合金鋼焊接工藝參數

5 外觀檢查

焊接完成后對焊縫表面進行外觀檢查，焊縫外觀應成形良好，焊縫表面無裂紋、氣孔、夾渣、弧坑、凹坑及未焊滿等缺陷。焊縫能夠與母材圓滑過渡，焊縫余高為1.0 ～2.5 mm，焊縫表面寬度比坡口兩側各增寬0.5 ～2.0 mm，焊道表面要求深度不超過0.3 mm。

6 焊后熱處理

12Cr5Mo 鋼焊接完成后立即進行焊后熱處理，焊后熱處理溫度為700 ～760 ℃。熱處理加熱升溫至300 ℃后，加熱速度不大于220 ℃/h。加熱到規(guī)定溫度后保溫0.5 h。恒溫期間各測溫點的溫度均在規(guī)定的熱處理溫度范圍內，其偏差不超過50 ℃。恒溫后的冷卻速度不大于260 ℃/h，冷卻至300 ℃后自然冷卻。焊后熱處理的加熱、保溫、冷卻溫度應采用熱電偶進行連續(xù)測量，采用自動溫度記錄儀進行記錄[10]。

焊縫若不能立即進行焊后熱處理時，焊接完畢后應立即進行后熱，后熱溫度為200 ～350 ℃，保溫時間不應少于30 min。后熱加熱范圍為焊縫兩側各不小于焊縫寬度的3 倍，且不小于25 mm。后熱加熱范圍以外100 mm 部位應保溫[9]。

7 無損檢測

無損檢測按照NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》執(zhí)行，進行100%射線檢測，Ⅱ級合格。無損檢測不合格的焊縫可進行返修，用砂輪機打磨或碳弧氣刨進行缺陷清除，并經滲透或磁粉檢測確認缺陷完全清除后方可進行焊接。同一部位的返修次數不得超過2 次。對已完成熱處理的焊接接頭進行返修時，返修后應重新進行熱處理。

8 力學性能試驗及硬度試驗

焊接接頭根據NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》要求進行拉伸、彎曲、沖擊試驗，并對焊接接頭進行硬度測試。

8.1 拉伸試驗

根據要求分別從平焊、仰焊位置取樣、加工，并進行試驗。拉伸試驗按GB/T 228.1—2010 規(guī)定的試驗方法測定焊接接頭的抗拉強度，試驗結果見表8。

表8 拉伸試驗結果

8.2 彎曲試驗

根據要求從管周向45°位置截取側彎試樣4件。按要求加工并進行試驗，彎曲試驗按GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》進行，試驗結果見表9。

表9 彎曲試驗結果

8.3 沖擊試驗

根據要求分別從立焊位置取沖擊試樣4 組。按要求加工并進行試驗，沖擊試驗按GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行，試驗結果見表10。

表10 沖擊試驗結果

8.4 硬度試驗

根據GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗方法》要求，對焊后熱處理的焊接接頭進行布氏硬度檢驗，硬度測試位置包括焊縫、熱影響區(qū)及其附近的母材，硬度測試位置示意見圖2，硬度測試結果見表11。

圖2 硬度測試位置示意

表11 硬度值HBW 測試結果

9 結束語

介紹了耐熱合金鋼12Cr5Mo 的化學成分、力學性能，根據12Cr5Mo 的力學性能及焊接特點，選擇了合適的焊接方法、填充金屬、坡口形式及尺寸；通過焊前清理、焊接工藝參數的優(yōu)化、預熱溫度及層間溫度的控制以及接頭焊后熱處理，確保了焊縫質量。外觀檢查、無損檢測、焊接接頭的拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊試驗及硬度試驗表明，采用鎢極氬弧焊根焊，焊條電弧焊填充、蓋面焊接工藝焊接的12Cr5MoⅠ耐熱合金鋼焊接接頭的各項指標合格，焊接質量可靠，滿足焊接工藝評定及設計文件要求。

耐熱合金鋼的焊接過程應嚴格按工藝要求進行預熱，控制道間溫度，焊后應立即進行焊后熱處理，不能進行焊后熱處理的應立即進行后熱處理，以確保焊接接頭的性能。不合格的焊縫應進行返修，返修后的焊縫應重新進行熱處理及硬度檢測。