15CrMo閘閥與TP304管線焊接時(shí)，接頭有較大的淬硬傾向，如果焊材選用不合理，預(yù)熱溫度不夠，冷卻速度快，H元素來不及溢出并殘留在焊接接頭，就會(huì)使應(yīng)力集中的部位產(chǎn)生裂紋，針對(duì)于此，選用的氧-乙炔焰加熱不進(jìn)行堆焊過渡和電熱帶加熱進(jìn)行堆焊過渡兩種工藝進(jìn)行了對(duì)比。前者加熱溫度不均勻，焊接時(shí)不能連續(xù)保持預(yù)熱溫度，沒有堆焊過渡，焊縫為多向應(yīng)力走向復(fù)雜，C元素向焊縫直接擴(kuò)散，同時(shí)也加大對(duì)焊縫中的有益合金元素的稀釋度；后者加熱溫度均勻，焊接時(shí)能連續(xù)保持預(yù)熱溫度，工件堆焊為單向應(yīng)力，拘束度很小，閘閥與堆焊層之間的半熔合區(qū)不會(huì)受到太大影響，堆焊時(shí)C元素只在堆焊的第一層、第二層擴(kuò)散，同時(shí)也減小了15CrMo對(duì)焊縫中有益合金元素的稀釋。

　　隨著工業(yè)的發(fā)展，15CrMo和TP304(0Cr18Ni9)兩種材質(zhì)的使用范圍不斷擴(kuò)大，兩異種金屬間的焊接幾率也隨之增加，由于這兩種材質(zhì)各自本身焊接時(shí)就存在一定的問題，兩者相結(jié)合的焊接則更是問題重重。特別是材質(zhì)為15CrMo的閘閥厚度大，冷卻速度與其連接的TP304管道相比要大幾倍，如果焊材選用或操作步驟不正確就會(huì)進(jìn)一步增加淬硬傾向，TP304管道焊縫熱影響區(qū)也會(huì)嚴(yán)重碳化，脆性增加塑性降低，在運(yùn)行過程中溫度的波動(dòng)會(huì)使其產(chǎn)生裂紋發(fā)生泄漏。為了不影響生產(chǎn)，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況對(duì)15CrMo閘閥與TP304管線異種接頭焊接過程中存在的問題進(jìn)行了分析，并選用合理的焊接工藝，規(guī)范操作，最終得到了良好的焊接接頭。

1、存在的問題

　　1.1、15CrMo閘閥焊接時(shí)存在的問題

　　15CrMo閘閥厚度較大，以DN200mm閘閥為例，厚度一般都在50mm以上，閘閥實(shí)物如圖1所示。按照標(biāo)準(zhǔn)要求，任何材質(zhì)厚度大于16mm焊接前都要預(yù)熱，15CrMo由于含有一定的Cr，Mo及其他合金元素，焊接接頭有較大的淬硬傾向。如果焊材選用不合理，預(yù)熱溫度不夠，焊接過程不能連續(xù)保持預(yù)熱溫度，冷卻速度快或焊后不能及時(shí)進(jìn)行消H或消除應(yīng)力熱處理，導(dǎo)致熔敷金屬中的H來不及溢出殘留在焊接接頭，就會(huì)使應(yīng)力集中的部位產(chǎn)生裂紋。尤其打底焊時(shí)如果電流過小、焊接速度過快、焊肉太薄，在H和拘束應(yīng)力的作用下焊縫就會(huì)加速開裂。

圖1 15CrMo閘閥實(shí)物照片

　　1.2、TP304管焊接時(shí)存在的問題

　　TP304材質(zhì)并非超低C不銹鋼，并且沒有加入穩(wěn)定碳化物的Ti和Nb。在焊接時(shí)層間溫度過高(>100℃)或長時(shí)間停留在450~850℃的危險(xiǎn)溫度區(qū)間，就會(huì)在熱影響區(qū)形成脆性高塑性低的碳化Cr，從而使熱影響區(qū)、熔合線上產(chǎn)生晶界腐蝕裂紋。

　　1.3、15CrMo閘閥與TP304管焊接時(shí)存在的問題

　　兩者焊接時(shí)，由于15CrMo含C量較高，合金元素含量低，TP304則反之，因此焊接時(shí)C會(huì)逐漸向TP304一側(cè)擴(kuò)散，使15CrModeC含量降低而軟化，焊縫及TP304一側(cè)脆性隨著碳的增加而提升。且合金元素含量較低的15CrMo會(huì)稀釋TP304的合金成分，使合金元素再分布，由于焊接加工過程中加熱、冷卻不均勻，整個(gè)接頭的H，C及其他合金元素的再次分布影響到原有力學(xué)性能，應(yīng)力必然也會(huì)集中在薄弱環(huán)節(jié)，所以異種接頭形成裂紋幾率遠(yuǎn)大于同種材質(zhì)。在15CrMo閘閥與TP304管焊接時(shí)為了提高焊縫強(qiáng)度，改善雜質(zhì)在焊縫中存在的狀態(tài)，減少15CrMo對(duì)焊縫的稀釋，減少H的含量，選用的焊材要能抑制15CrMo中C的擴(kuò)散，能補(bǔ)充焊縫中的合金元素，可以克服15CrMo的稀釋作用，所以盡量選用Ni基焊材或奧氏體不銹鋼焊條，但是這些焊材在操作時(shí)很容易出現(xiàn)弧坑裂紋，特別是工件冷卻速度較快時(shí)，弧坑裂紋更是頻繁，弧坑裂紋也是焊縫裂紋的主要來源。

2、工藝選擇

　　通過以上分析，15CrMo閘閥+TP304管道焊接，主要受溫度和合金元素的影響，從而產(chǎn)生裂紋及其他缺陷。為了保證質(zhì)量，對(duì)氧-乙炔焰加熱不進(jìn)行堆焊過渡和電熱帶預(yù)熱進(jìn)行堆焊過渡兩種工藝進(jìn)行分析對(duì)比，選用更合理的工藝來提高焊縫性能。

　　2.1、工藝方案

　　兩種工藝都采用V形坡口，閘閥加工過渡面寬度為錯(cuò)邊量的3倍，即85mm以上，清理坡口邊緣的雜物，預(yù)留4mm的焊接間隙，焊前閘閥一側(cè)預(yù)熱130℃左右。選擇ZX7-400A焊接電源，氬電聯(lián)焊。選擇��2.4mm奧氏體焊絲，電流120A；��4.0mm焊條，電流148A。采用多層多道焊接，層間溫度為130℃左右，焊后進(jìn)行200℃的消H處理，加熱點(diǎn)傾向閘閥一側(cè)。

　　2.2、氧-乙炔焰加熱不進(jìn)行堆焊過渡工藝

　　該工藝存在的弊病是因?yàn)橛醚?乙炔焰分段加熱，溫度不均勻，尤其打底焊，不能連續(xù)保持預(yù)熱溫度，沒有堆焊過渡，焊縫為多向應(yīng)力走向復(fù)雜，C元素直接向焊縫擴(kuò)散，同時(shí)焊縫中的有益合金元素稀釋度加大。如果選用A302酸性焊條、1Cr23Ni13焊絲施焊，晶粒粗大，脫氧不好，且Cr含量高，Ni及其他合金元素含量低，對(duì)由于燒損或稀釋的合金元素補(bǔ)充不足。特別在維修時(shí)，有些材質(zhì)經(jīng)過使用內(nèi)部滲入雜質(zhì)，嚴(yán)重影響焊接，打底結(jié)束焊縫立刻開裂時(shí)有發(fā)生。

　　2.3、電熱帶加熱進(jìn)行堆焊過渡

　　電熱帶加熱進(jìn)行堆焊過渡結(jié)構(gòu)如圖2所示。用電熱帶加熱溫度均勻，焊接時(shí)能連續(xù)保持預(yù)熱溫度；堆焊9mm的過渡層，工件堆焊時(shí)單向應(yīng)力拘束度很小，閘閥與堆焊層之間的半熔合區(qū)不會(huì)受到太大影響，雖然與管線對(duì)焊時(shí)還會(huì)出現(xiàn)新的半熔合區(qū)，但已是同種材質(zhì)，性能差異減小。C只在堆焊第一層、第二層時(shí)擴(kuò)散，堆焊第三層、第四層時(shí)C擴(kuò)散力度大大降低，同時(shí)也減小了15CrMo對(duì)焊縫中有益合金元素的稀釋。焊縫再次熔化時(shí)H大量溢出，所以H會(huì)隨著堆焊層的增加逐漸向后一層溢出，在最后一層聚集；與管線對(duì)焊時(shí)，聚集的H隨著對(duì)接焊縫一道一道的熔化再次溢出，最后聚集在對(duì)接焊縫的表面，所以焊完以后要將余高清除。閘閥一側(cè)進(jìn)行200℃的消H處理，有利于防止延遲裂紋的形成。選用的Cr16Ni25Mo6焊絲、A502焊條中：Cr的含量較低，減小碳化鉻形成幾率；Ni的含量較高，能穩(wěn)定基體，膨脹、冷收縮系數(shù)都小，焊后殘余應(yīng)力小，可得到較高的抗拉強(qiáng)度、塑性和韌性，對(duì)熱處理溫度要求較低；Mo也是細(xì)化晶粒，提高高溫強(qiáng)度的重要元素，因此能夠穩(wěn)定15CrMo與堆焊層過渡區(qū)的各項(xiàng)性能。

圖2 電熱帶加熱進(jìn)行堆焊過渡結(jié)構(gòu)示意圖

3、具體操作

　　(1)采用ZX7-400A型焊接電源，氬電聯(lián)焊。打底焊選用��2.4mm的Cr16Ni25Mo6氬弧焊焊絲，電流120A，Ar2純度為99.99%；堆焊及填充蓋面選用��4.0mm的A502手工電弧焊焊條，電流148A，焊條使用前在200℃下烘干2h，隨用隨取。

　　(2)打磨坡口并清理兩側(cè)的油銹等雜質(zhì)，坡口為V形坡口，角度為60°，清理寬度為坡口兩側(cè)各20mm。用ZWK-I-60熱處理儀對(duì)閘閥進(jìn)行預(yù)熱，升溫速度為150℃/h，升溫到130℃恒溫到堆焊結(jié)束。

　　(3)坡口面堆焊運(yùn)條方法選用直線運(yùn)條，順序?yàn)橛上轮辽现饘又鸬肋M(jìn)行，共12道4層，厚度9mm左右，層間、道間溫度控制在130℃左右，做好層間清理。堆焊后24h進(jìn)行著色檢測，Ⅰ級(jí)合格后再進(jìn)行TP304管線的對(duì)接。

　　(4)管線與閘閥對(duì)接前，將堆焊后的坡口打磨光滑，不留鈍邊，閘閥再次預(yù)熱，且堆焊層溫度保持在100℃左右，管道內(nèi)側(cè)用水溶紙密封，閘閥關(guān)閉，對(duì)接時(shí)內(nèi)壁平齊，預(yù)留4mm焊接間隙，對(duì)稱點(diǎn)固4點(diǎn)，長度大于20mm，收弧時(shí)反復(fù)斷弧填滿弧坑。

　　(5)用膠帶密封坡口間隙，留一小口用來充氬做內(nèi)部保護(hù)。保護(hù)Ar2的流量等于或略小于焊接Ar2的流量。月牙形運(yùn)條法焊接，由下至上，由內(nèi)到外，逐層逐道進(jìn)行，所有接頭包括點(diǎn)固點(diǎn)都進(jìn)行打磨，收弧填滿弧坑。

　　(6)焊完以后將余高清除且不低于母材。跟蹤升溫到200℃，保溫緩冷，做消H處理。消H處理主要加熱點(diǎn)傾向閘閥。

　　(7)做RT檢測II級(jí)合格，UT檢測I級(jí)合格，設(shè)計(jì)壓力1.25倍的水壓試驗(yàn)毫無泄露，硬度檢測符合標(biāo)準(zhǔn)。

4、實(shí)例及效果對(duì)比

　　某煉油裝置閘閥材質(zhì)為15CrMo，共5個(gè)閘閥，由于長周期的連續(xù)運(yùn)行，部分管線出現(xiàn)問題，5個(gè)閘閥完好無損且性能很好。因此在計(jì)劃中只是將管線全部更換為TP304不銹鋼，而閘閥繼續(xù)使用。閘閥規(guī)格��219mm×50mm，管線規(guī)格��219mm×22mm，安裝時(shí)為了保證質(zhì)量，有效防止所有裂紋的產(chǎn)生，采用本研究中的兩種工藝進(jìn)行焊接試驗(yàn)對(duì)比。

　　4.1、氧-乙炔焰加熱不進(jìn)行堆焊過渡該工藝是將工件過渡面、焊接坡口打磨好以后，閘閥與管線直接對(duì)接，局部預(yù)熱150℃后，選用1Cr23Ni13鎢極氬弧焊焊絲進(jìn)行點(diǎn)固，點(diǎn)固長度為30mm，收弧時(shí)認(rèn)真填滿了弧坑，但是，點(diǎn)固焊縫冷卻到預(yù)熱溫度時(shí)，焊縫中心的裂紋完全貫穿，打磨后再次點(diǎn)固，裂紋仍然存在。對(duì)此進(jìn)行了分析，主要原因是15CrMo閘閥經(jīng)過長期的連續(xù)運(yùn)行，大量的S，P，H，N等有害元素逐漸滲入其內(nèi)部，對(duì)力學(xué)性能有著極大的影響。用氧-乙炔焰局部加熱，溫度不均勻，焊縫冷卻速度過快，沒有堆焊過渡，因此C向焊縫直接擴(kuò)散，同時(shí)焊縫中的有益合金元素稀釋度也加大。另外選用焊絲1Cr23Ni13施焊，Cr含量高，Ni及其他合金元素含量低，對(duì)由于燒損或稀釋的合金元素補(bǔ)充不足。

　　4.2、電熱帶加熱進(jìn)行堆焊過渡

　　具體步驟按照操作規(guī)程嚴(yán)格執(zhí)行，焊接時(shí)間較長、勞動(dòng)強(qiáng)度較大，但是焊完48h以后對(duì)焊縫檢測，沒有發(fā)現(xiàn)任何裂紋，且硬度符合標(biāo)準(zhǔn)，連續(xù)運(yùn)行至今已有36個(gè)月的時(shí)間，再次檢測仍然完好無損，已經(jīng)成為信得過的焊接工藝。

5、質(zhì)量檢驗(yàn)

　　(1)檢驗(yàn)在整個(gè)作業(yè)過程中都要進(jìn)行，切割坡口打磨成型以后，特別是15CrMo閘閥，要做一次UT檢測，如有裂紋全部修復(fù)或更換。

　　(2)工件加熱過程中，不斷檢查加熱儀，注意觀察加熱速度及溫度是否可以滿足焊接要求。

　　(3)點(diǎn)固或焊接過程，不光要填滿弧坑，再次接頭之前均要打磨，防止微小的弧坑裂紋或裂紋源(金屬處在形成裂紋的狀態(tài))的存在，這些微小的弧坑裂紋或裂紋源在外界載荷的影響下，就是焊縫開裂的重要因素之一。

　　(4)在這個(gè)操作過程還要注重檢查每一道、每一層的溫度控制及焊接質(zhì)量，堆焊層的層間溫度不得低于其預(yù)熱溫度，每層每道都要清理干凈，接頭要相互錯(cuò)開且不得有任何缺陷，母材與焊縫之間、焊縫與焊縫之間都要過渡平滑。

　　(5)焊后做RT檢測II級(jí)合格，UT檢測I級(jí)合格，設(shè)計(jì)壓力1.25倍的水壓試驗(yàn)毫無泄露，兩種材質(zhì)的硬度檢測符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

6、應(yīng)急方案

　　(1)在焊接過程中，如發(fā)現(xiàn)焊縫裂紋應(yīng)立即停止焊接，徹底打磨后再繼續(xù)進(jìn)行。

　　(2)不論在何時(shí)何地都要把安全放在首位，焊接更不例外。首先要了解周圍環(huán)境，是否有不利于人身安全的因素。了解作業(yè)的空間位置，如是高空一定要帶好安全帶。在整個(gè)施焊過程中，一定要有人監(jiān)護(hù)，如發(fā)生意外應(yīng)立即關(guān)閉電源。

7、結(jié)語

　　從實(shí)踐中可以看出，材質(zhì)的選用、溫度的控制、過渡層的堆焊對(duì)15CrMo閘閥與TP304管道的焊接都非常重要，尤其15CrMo閘閥經(jīng)過長期的使用，有害雜質(zhì)的滲入嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量，選用焊材時(shí)要適當(dāng)調(diào)整合金元素的含量，補(bǔ)充由于燒損或稀釋造成的有益合金元素的損失，控制溫度減小淬硬傾向，堆焊層的過渡有利于抑制碳的擴(kuò)散及合金元素的稀釋。