15CrMo钢焊接资料

1、耐热钢 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

2、 600620C ;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 500600 r有良好的高温强 度及工艺性能，价格较低，广泛用于制作 600C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 713%，在

3、650C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 1Cr13SiAI，1Cr25Si2 等。一般用于制作承受载荷较低而

4、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 600C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 600r以上工作的热 强材料。典型钢种有 1Cr18Ni9Ti, 1Cr23Ni13, 1Cr25Ni20Si2,2Cr20Mn9Ni2Si2N , 4Cr14Ni14W2Mo 等。 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 450C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

5、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

6、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

7、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。 1.3 15CrMo 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

8、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

9、焊接接头亦应具有足够的抗脆断性3。 1.4 15CrMo 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

10、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 0 1.4.1 15CrMo 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_2 表 1.1 0 表 1.1 15CrMo 钢的成分 (质量分 数)% 名称 C Si

11、Mn Cr Mo S P 15CrMo （国标） 0.12 0.17 0.40 0.8 1.1 0.40 W 0.04 W 0.04 0.18 0.37 0.70 0.55 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 Crv 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 2625C，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

12、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。表 1.2 是15CrMo 钢的室温力学性能。

13、 表 1.2 15CrMo 钢的室温力学性能 力学性能 钢号 热处理状态 取样位置 屈服强度 抗拉强度 伸长率 冲击吸收功 ds/MPa db/ MPa S 5(%) AKV/J -cm930960C正火 横向 240 450 21 59 15CrMo +680 730C 回火 纵向 230 450 20 49 1.4.2 15CrMo 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

14、分析 碳当量法（Calculation of carbon equivalents）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） （%） 丿元素 C Si Mn Cr Mo S P 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

15、依据热裂纹敏感性计算公式见公式 1.1,有： C（S+P +旦+汕） HCS 25 100 *103 （ 1.1） 3Mn +Cr + Mo +V 0.94*（0.03 0.32 0.28） HCS 込 *103 3*0.51+0.95 + 0.45 =2.2 4 当 HCSC 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 0.080.23 的钢, 其热裂纹敏感性 UCS 计算公式如下式 1.2: UCS=230C+75P+45Nb-5.

16、4M n-1 (1.2) 裂纹敏感值为 015（%） 15CrMo 钢的 UCS 值为: UCS=230*0.14+75*0.032-123*0.28-5.4*0.51-1=-6.10 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 国际焊接学会（u W）推荐公式如下公式 1.3，有： c Mn Cr+Mo+V Cu + Ni C - 6 5 (1.3) 0.51 0.95 +0.45 cue 匚 0 14 + - + - =0.505 6 5 使用国际焊接学会（U W）推荐的碳当量公式时，对于板厚 当 CE0.5 时，钢材易淬硬，表明焊接性变差，焊接时需预热才

17、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 淬硬倾向大。 美国焊接学会提出的公式如式 1.4: Mn Si Ni Cr Mo “Cu P Ceq= C （- 6 24 15 5 4 13 0.51 0.28 0 0.95 0.45 Ceq= 0.14 - 6 24 15 5 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。 日本的 JIS 和 WES 推荐计算公式如下式 1.5: Ceq(JIS)= Mn Si Ni Cr Mo V c (1.5) 6 24

18、 40 5 4 14 Ceq(JIS)= c 一 亠 0.51 亠 0.28 土 0 土 0.95 亠 0.45 0 - _ 0 14 十 - + - + - + - + = 0.55 使用日本工业标准（JIS）推荐的碳当量公式时，当板厚 衣 25mm 和采用焊 条电弧焊时，对于强度级别为 500 MPa 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 Ceq0.46%。 3）焊接再热裂纹敏感性分析 CE= CE= *20mm 的钢材, CE=0.4% 0.6% CE0.5%, -) 2 0 0.032、 )=0.56 13 2 (1.4) 15（%） 预测低合

19、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 4G法公式见如下公式 1.6: G=C+3.3Mo+8.1V-2+10C(%) (1.6) G=0.95+3.3*0.45+8.1*0-2+10*0.14=1.835 当AG2 时，对消除应力裂纹敏感；1.5WAGV2 时，对产生消除应力裂纹 较敏感；4GV 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。 1.4.3 15CrMo 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

20、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

21、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 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 Ceq0.5%,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，形成 大量的晶格缺陷，这些缺陷主要是空位和位错在应力和热力不平衡的条件下， 空 位和位错都会发生移动和聚集，当它们的浓度达到一定的临

22、界值后， 就会形成裂 纹源。在应力的继续作用下，就会不断地发生扩展而形成宏观的裂纹。 焊接接头的含氢量 焊接时，焊接材料中的水分、焊件坡口处的铁锈、 油污，以及环境湿度等都是焊缝中富氢的原因。焊接时，由于电弧高温作用，将 有大量的氢分解原子或者离子状态并大量溶解在熔池中，在随后的冷却和凝固过 程中，由于溶解度的急剧降低，氢极力逸出，但因冷却太快，使氢来不及逸出而 保留在焊缝金属中，使焊缝中的氢处于过饱和状态，使氢极力扩散，当氢的浓度 越高，马氏体更加脆化。 焊接接头的应力 实验研究证明，在焊接条件下主要存在以下几种应 力，一是不均匀加热及冷却过程中所产生的热应力在焊接时， 焊接区由于受热而 发

23、生膨胀，因而承受压应力，冷却时由于收缩承受拉应力，一直到焊后将产生不 同程度的残余应力。二是金属相变时产生的组织应力奥氏体分解时会引起体积膨 胀，而且转变后的组织都具有较小的膨胀系数， 这将减轻焊后收缩时产生的拉伸 应力结构自身拘束条件所造成的应力， 这种应力包括结构的刚度、焊缝位置、焊 接顺序、构件自重、负载情况以及其他受热部位冷却过程中的收缩等均会使焊接 接头承受不同的应力。对于本课题所研究的 15CrMo 钢试板，由于结构尺寸小， 而且不存在拘束应力，在焊接生产过程中，试板各个部分虽不均匀受热，但各部 分温差较小，焊后产生较小的残余应力，最后形成冷裂纹可能性也较小。 3）冷裂纹的防止措施

24、 由于淬硬组织，钢中的含氢量和应力值是形成冷裂纹的主要因素。 为了获得 完好的焊接接头，就必须尽量控制这些因素的影响，从而防止冷裂纹的产生。 冶金方面主要有两个方面：一是尽可能选用低氢的焊接方法和焊接材 料；二是严格控制氢的来源和用微量合金元素改善焊缝的韧性等， 以及采用低匹 配的焊接材料。 对于 15CrMo 钢， 普遍采用低氢碱性焊材。 因为碱性焊材药皮的主要成分是 大理石和萤石。焊接时，从大理石中分解出的 CO2和 CO 在电弧气氛中占主导地 位，焊缝金属中含氢量比酸性焊材要低的多。 同时在焊前应高温烘干，尽量除去 焊材中的水分，并贮存在 100150 C的恒温箱中，在使用时放入保温筒内

25、并随 用随取，在保温筒内存放时间不得超过 4h,否则要按原烘干温度重新烘干，重 复烘干不得超过两次。 仅采用低氢焊材和烘干还不能保证获得低氢的焊缝，还要严格控制氢的来 源。因此必须彻 底去除焊接坡口表面 （带坡口的还有坡口两侧 20mm 范围内）的 油污、水分、铁锈及其他杂物。 焊接工艺对于压力容器、锅炉管道等焊接结构，对焊接线能量的控制 是严格的，必须采用合适的线能量。线能量过大，会引起热影响区过热使晶粒粗 大，软化区宽度增加，降低接头的抗裂性能，使得焊接结构整体的力学性能下降。 线能量过小，由于降低冷却时间 t800500。和tl00，使得焊缝热影响区出现淬硬组 织，也不利于氢的逸出，焊缝

26、容易产生冷裂纹。 选用适当的焊前预热温度和预热范围。适当的预热温度降低了焊缝冷却速 度，可使氢更易从焊缝熔池向大气中扩散， 减少焊缝中的扩散氢含量，并且可以 降低焊接区的温度梯度和焊缝的冷却速度， 减少硬度高马氏体的含量，减小温差 应力。预热温度应通过工艺评定来确定。当环境温度低时还应增大预热温度和预 热范围。对纵缝应整条焊缝同时预热，不能分段预热。 热处理的主要作用是进一步除氢，继续预热所起的作用，弥补预热的不足， 焊后立即施行热处理，使扩散氢有充分的时间逸出，起到了很好的消氢作用，同 时还可以降低焊缝中的残余应力，减少冷裂纹产生的机率。另外还可以降低预热 温度，有利于生产操作。 （3）再热

27、裂纹分析 再热裂纹是焊件在焊接后重新加热（如焊后 500700C消除应力）处理或者 在高温下工作而在焊接热影响区产生的裂纹， 一般又称为去应力裂纹。它与再热 过程的加热、冷却速度无关。 1）再热裂纹主要特征 再热裂纹产生的部位均在近缝区的粗晶粒区中， 焊缝、热影响区的细晶 区和母材均不产生再热裂纹。裂纹沿熔合线方向在奥氏体粗晶晶界发展， 终止于 细晶区。裂纹并不一定是连续的，并且具有晶间开裂的特征。 焊接再热裂纹的产生必须存在较大的残余应力和应变，并且有不同程度 的应力集中，二者必须同时存在如焊缝向母材过渡不平滑、余高过大、有咬边、 焊瘤、未焊透、边缘未熔合等都有可能促使再热裂纹的发生。 焊后

28、不会自行发生，只是在焊后消除应力处理及焊后高温使用中产生， 并与加热温度与加热时间有密切关系。且存在一个宜于产生再热裂纹的敏感温度 范围对于 15CrMo 钢，产生裂纹的再加热温度范围一般在 500700C, 600C附 近最为敏感。 含有一定沉淀强化元素的金属材料才具有产生再热裂纹的敏感性。 2） 再热裂纹产生机理 根据高温金相显微镜及扫描电镜的观察， 认为再热裂纹是由晶界滑移，导致 微裂形成而发生和扩展的，即在焊后热处理过程中，残余应力松弛时，粗晶区应 力集中处的某些晶界塑性变形量超过了该处的塑性变形能力，就会产生再热裂 纹，即在理论上产生再热裂纹的条件可用下式 1.7 表达： eec （

29、1.7） 式中 e局部晶界的实际塑性变形量； ec局部晶界的塑性变形能量。 因此，在钢的热处理过程中，当应力集中部位晶界的实际塑性变形量大于该处产 生裂纹的临界塑性变形量时，就会形成再热裂纹。实际塑性变形与焊接接头的拘 束度、残余应力的大小以及晶粒的大小有关， 而晶界杂质的偏析，晶内沉淀强化 必然影响到产生裂纹的临界变形值，也就影响到再热裂纹的产生。 3） 再热裂纹的影响因素和防止措施 热影响区高位蠕变引起的高温蠕变变形的能力是产生再热裂纹与否的关键。 因此，我们从冶金角度（控制钢材合金元素、残余元素或者微量元素）和从力学 角度考虑降低残余应力、应力集中，或者从工艺因素出发增大焊接热输入量、 提 高预热温度、施行后热等出发来提高蠕变塑性变形能力。 冶金方面 化学成分是影响再热裂纹产生的主要因素， 它不仅影响脆性 温度区间的大小以及合金在脆性温度区间的塑性， 还影响合金在脆性温度区内的 变形增长率。 S、P:在钢中是增大再热裂纹倾向的元素，它使合金的结晶温度区间增大， 在钢中易形成多种低熔点共晶，因此焊接中应控制 S 0.03%, P0.4%时，易形成 低熔点的硅酸盐杂质，从而增加了结晶裂纹的倾向。 Cr:对于 15CrMo 钢，随着 Cr 的含量增加，裂纹倾向逐渐减少。 Mo 能