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摘要：文章论述了镍基焊材在实际生产中的运用，从而减化了重叠设备的局部最终热处理，保证了产品质量。
关键词：设备重叠口；焊接性；镍基焊材；焊接工艺
中图分类号：TG42 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2011）24－0031－02
重叠设备的重叠焊接接头往往需要进行炉外局部最终热处理，为避免热处理，可以采用价格昂贵但具有良好耐热、耐蚀性能的镍基焊材施焊。我公司为某石化公司制造两台内壁全堆焊的2.25Cr－1Mo换热器，两台换热器以焊接形式重叠在一起，设计要求采用镍基焊材堆焊坡口，制造前按照JB4708－2000进行了焊接工艺评定，确定了重叠口的焊接工艺。重叠换热器的大体结构，见图1。
图1重叠换热器的大体结构
1焊接性分析
我公司购买由日本神户制钢生产的2.25Cr－1Mo钢板，它属珠光体耐热钢，具有很好的抗氧化性和热强性，最高工作温
度可高达600 ℃，广泛应用于石油工业和化学工业，是目前用于炼油厂最佳的抗氢钢材料。其化学成分见表1，力学性能见表2。
表12.25Cr－1Mo钢板化学成分 / %
成分
分析
方法 C
Max Si
Max Mn P
Max S
Max Cr Mo Ni
Max Cu
Max Sb
Max Sn
Max As
Max
熔炼
分析 0.15 0.2 0.3/0.6 0.010 0.010 2～2.5 0.9/1.1 0.2 0.2 0.003 0.015 0.016
产品
分析 0.15 0.25 0.25/0.66 0.012 0.012 1.88～2.62 0.85/1.15 0.25 0.2 0.003 0.015 0.016
其中回火脆性敏感性系数应满足以下要求：
J＝（Si＋Mn）（P＋Sn）×104≤100
X＝（10P＋5Sn＋4Sn＋As）10-2≤15 ppm
表22.25Cr－1Mo钢板力学性能
项 目 单位 数值
室温拉伸强度Rm MPa 515～690
室温屈服强度Rel MPa 310～620
室温延伸率A % ≥18
室温断面收缩率Z % ≥45
－30 ℃夏比（V型缺口）冲击功 J 平均值≥54，允许一个试样≥47
454 ℃高温屈服强度 MPa ≥231
室温弯曲试验 弯曲180 °无裂纹
珠光体耐热钢焊接的主要问题是热影响区的硬化、冷裂纹、软化以及焊后热处理或高温长期使用中的再热裂纹。此外，Cr－Mo钢还具有明显的回火脆化现象。2.25Cr－1Mo钢的碳当量非常大，淬硬倾向大，产生冷裂纹的可能性极大，因此在条件许可的情况下应适当地提高其预热和层间温度，以避免冷裂纹的产生。［1］
镍基焊材无论是堆焊时，还是同材质焊接时主要应防止热裂纹的产生。解决的办法除选择热裂纹敏感性低的焊接材料外，还应做到降低线能量、降低预热和层间温度。
综上分析，无论母材还是焊材都有较高的裂纹倾向，因此焊接工艺如何做才能有效防止冷、热裂纹的产生和确保焊接接头具有优良的综合力学性能是此次焊接工作的关键所在。
2焊接材料的选择
根据以往使用镍基焊材的经验，决定采用较小线能量的手工钨极氩弧焊和焊条电弧焊，焊接材料为ERNiCr－3焊丝和ENiCrFe－3焊条。该两种焊材的抗热裂性能较好，且熔敷金属具有良好的综合力学性能。其具体化学成分和力学性能，见表3。
表3ERNiCr－3焊丝和ENiCrFe－3焊条化学成分和力学性能
焊接
材料 化学成分 / % 力学性能
Rm / MPa
C Si Mn Cr Nb Fe P S Ti Cu
ENiCrFe－3 0.1 1 5.0～9.5 13～17 1～2.5 10 0.03 0.015 1.0 0.5 550
ERNiCr－3 0.1 0.5 2.5～3.5 18～22 2～3 3 0.03 0.015 0.75 0.5 550
注：单个值为最大值
3焊接工艺评定试验和结果
正式焊接前我公司按JB4708－2000制作了焊接工艺评定试板，试板尺寸为600 mm×300 mm×（38＋6）mm，其中38 mm为2.25Cr－1Mo，6 mm为E309 L/E347 L的堆焊层厚度。坡口堆焊时用焊条电弧焊，对接焊缝使用手工钨极氩弧焊两层焊条电弧焊填充、面层。所采用的焊接规范，见表4。
表4焊接规范
焊接材料 规格 电流种类及极性 电流 / A 焊接速度
ERNiCr－3 Ф2.5 直流正极 80～90 70～90 mm/min
ERNiCrFe－3 Ф2.5 直流反极 70～90 180～200 mm/根
ERNiCrFe－3 Ф3 直流反极 90～110 200～220 mm/根
表5焊接接头的力学性能
抗拉强度Rm / MPa 侧弯
D＝4 a，180 ° 硬度 / HB
接头 焊缝 焊缝 热影响区 母材
629/618 635 合格 190～193 189～192 180～188
表6焊缝的化学成分 / %
C Si Mn S P Cr Ni Fe Nb Ti Cu
0.04 0.35 5.00 0.003 0.012 16.07 70.64 6.5 2.31 0.84 0.04
焊接工艺评定完全模拟实活，先在2.25Cr－1Mo板上按正常焊条电弧焊堆焊E309 L/E347 L堆焊试板表面→机加坡口→待堆焊面MT→预热100～120 ℃→焊条电弧焊堆焊坡口端面→焊后最终热处理→机加出坡口→氩弧焊两层→焊条电弧焊填充、面层→RT检测→机加试样→理化试验。理化试验后得出的结果见表5、表6。
按标准要求该焊接工艺评定合格，说明此焊接工艺可用于实际生产。
4设备的焊接
4.1焊前准备
按常规方法首先在2.25Cr－1Mo接管内壁堆焊E309 L、E347 L，堆焊完毕后机加出接管一端的单U型外坡口（见I放大图）。焊前在坡口表面及两侧20 mm范围内进行清理，不得有氧化皮、油污及水锈等杂质。
4.2坡口端面堆焊
堆焊采用焊条电弧焊，堆焊第一层时预热100～120 ℃，堆焊完第一层后立即进行350 ℃×2 h消氢处理，其余层不预热但层间温度应严格控制在100 ℃以下。焊接时尽量用小直径焊条，采用短弧、小电流快速焊。堆焊10～12 mm后，再机加出单U型外坡口（见I放大图），且必须保证机加后堆焊厚度不小于8 mm。
4.3重叠
待接管及其附件与主体组焊后做最终热处理690 ℃×（4－6）h。两换热器水压试验合格后组对重叠。此时接管端部堆焊面及两侧20 mm范围内应重新进行清理。组对间隙保证2～4 mm，错边量小于2 mm。
4.4焊接
重叠口封底时用手工钨极氩弧焊，且背面进行充氩保护。整台设备处于充氩状态，两重叠口用宽胶带封住，边焊边打开胶带。氩弧焊两层后，再采用焊条电弧焊。焊接时层间温度严格控制在100 ℃以下。运条时尽量减少线能量，焊条尽量不摆动，若摆动可适当斜向摆动。焊接完毕时降下电流填满弧坑，防止弧坑裂纹。焊接过程中为检验微小裂纹，每焊一层进行一次渗透检测，检查合格后方可焊下一层，这有利于控制层间温度。渗透检验后一定要清洗掉渗透剂和显像剂，以防止影响焊缝质量。
5结论
（1）严格按上述工艺要求顺利完成两条重叠焊缝的焊接，进行100%射线检测，探伤一次合格。整体水压试验一次合格。产品上的成功运用说明了所采用的焊接材料和焊接工艺的可行性，且具有推广的价值。
（2）按照JB4708－2000标准对焊接接头做了接伸、弯曲试验，其结果合格则说明此焊接接头具有良好的综合力学性能。
（3）该装置已经正式运行无任何异常现象，得到了用户的好评。
参考文献
1 周振丰、张文钺.焊接冶金与金属焊接性［M］.北京：机械工业出版社，1993
The Nickel－based Welding Consumables’ Application while Equipment Overlapping
Wang Juru, Wang Enzhen, Wei Guangquan
Abstract: This article discusses the nickel－based welding consumables’ application in the actual production, so as to reduce the partial final heat treatment of overlapping equipment and ensure product quality.
Key words: equipment overlap mouth; welding performance; nickel－based welding consumables; welding technology
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”
关键词：设备重叠口；焊接性；镍基焊材；焊接工艺
中图分类号：TG42 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2011）24－0031－02
重叠设备的重叠焊接接头往往需要进行炉外局部最终热处理，为避免热处理，可以采用价格昂贵但具有良好耐热、耐蚀性能的镍基焊材施焊。我公司为某石化公司制造两台内壁全堆焊的2.25Cr－1Mo换热器，两台换热器以焊接形式重叠在一起，设计要求采用镍基焊材堆焊坡口，制造前按照JB4708－2000进行了焊接工艺评定，确定了重叠口的焊接工艺。重叠换热器的大体结构，见图1。
图1重叠换热器的大体结构
1焊接性分析
我公司购买由日本神户制钢生产的2.25Cr－1Mo钢板，它属珠光体耐热钢，具有很好的抗氧化性和热强性，最高工作温
度可高达600 ℃，广泛应用于石油工业和化学工业，是目前用于炼油厂最佳的抗氢钢材料。其化学成分见表1，力学性能见表2。
表12.25Cr－1Mo钢板化学成分 / %
成分
分析
方法 C
Max Si
Max Mn P
Max S
Max Cr Mo Ni
Max Cu
Max Sb
Max Sn
Max As
Max
熔炼
分析 0.15 0.2 0.3/0.6 0.010 0.010 2～2.5 0.9/1.1 0.2 0.2 0.003 0.015 0.016
产品
分析 0.15 0.25 0.25/0.66 0.012 0.012 1.88～2.62 0.85/1.15 0.25 0.2 0.003 0.015 0.016
其中回火脆性敏感性系数应满足以下要求：
J＝（Si＋Mn）（P＋Sn）×104≤100
X＝（10P＋5Sn＋4Sn＋As）10-2≤15 ppm
表22.25Cr－1Mo钢板力学性能
项 目 单位 数值
室温拉伸强度Rm MPa 515～690
室温屈服强度Rel MPa 310～620
室温延伸率A % ≥18
室温断面收缩率Z % ≥45
－30 ℃夏比（V型缺口）冲击功 J 平均值≥54，允许一个试样≥47
454 ℃高温屈服强度 MPa ≥231
室温弯曲试验 弯曲180 °无裂纹
珠光体耐热钢焊接的主要问题是热影响区的硬化、冷裂纹、软化以及焊后热处理或高温长期使用中的再热裂纹。此外，Cr－Mo钢还具有明显的回火脆化现象。2.25Cr－1Mo钢的碳当量非常大，淬硬倾向大，产生冷裂纹的可能性极大，因此在条件许可的情况下应适当地提高其预热和层间温度，以避免冷裂纹的产生。［1］
镍基焊材无论是堆焊时，还是同材质焊接时主要应防止热裂纹的产生。解决的办法除选择热裂纹敏感性低的焊接材料外，还应做到降低线能量、降低预热和层间温度。
综上分析，无论母材还是焊材都有较高的裂纹倾向，因此焊接工艺如何做才能有效防止冷、热裂纹的产生和确保焊接接头具有优良的综合力学性能是此次焊接工作的关键所在。
2焊接材料的选择
根据以往使用镍基焊材的经验，决定采用较小线能量的手工钨极氩弧焊和焊条电弧焊，焊接材料为ERNiCr－3焊丝和ENiCrFe－3焊条。该两种焊材的抗热裂性能较好，且熔敷金属具有良好的综合力学性能。其具体化学成分和力学性能，见表3。
表3ERNiCr－3焊丝和ENiCrFe－3焊条化学成分和力学性能
焊接
材料 化学成分 / % 力学性能
Rm / MPa
C Si Mn Cr Nb Fe P S Ti Cu
ENiCrFe－3 0.1 1 5.0～9.5 13～17 1～2.5 10 0.03 0.015 1.0 0.5 550
ERNiCr－3 0.1 0.5 2.5～3.5 18～22 2～3 3 0.03 0.015 0.75 0.5 550
注：单个值为最大值
3焊接工艺评定试验和结果
正式焊接前我公司按JB4708－2000制作了焊接工艺评定试板，试板尺寸为600 mm×300 mm×（38＋6）mm，其中38 mm为2.25Cr－1Mo，6 mm为E309 L/E347 L的堆焊层厚度。坡口堆焊时用焊条电弧焊，对接焊缝使用手工钨极氩弧焊两层焊条电弧焊填充、面层。所采用的焊接规范，见表4。
表4焊接规范
焊接材料 规格 电流种类及极性 电流 / A 焊接速度
ERNiCr－3 Ф2.5 直流正极 80～90 70～90 mm/min
ERNiCrFe－3 Ф2.5 直流反极 70～90 180～200 mm/根
ERNiCrFe－3 Ф3 直流反极 90～110 200～220 mm/根
表5焊接接头的力学性能
抗拉强度Rm / MPa 侧弯
D＝4 a，180 ° 硬度 / HB
接头 焊缝 焊缝 热影响区 母材
629/618 635 合格 190～193 189～192 180～188
表6焊缝的化学成分 / %
C Si Mn S P Cr Ni Fe Nb Ti Cu
0.04 0.35 5.00 0.003 0.012 16.07 70.64 6.5 2.31 0.84 0.04
焊接工艺评定完全模拟实活，先在2.25Cr－1Mo板上按正常焊条电弧焊堆焊E309 L/E347 L堆焊试板表面→机加坡口→待堆焊面MT→预热100～120 ℃→焊条电弧焊堆焊坡口端面→焊后最终热处理→机加出坡口→氩弧焊两层→焊条电弧焊填充、面层→RT检测→机加试样→理化试验。理化试验后得出的结果见表5、表6。
按标准要求该焊接工艺评定合格，说明此焊接工艺可用于实际生产。
4设备的焊接
4.1焊前准备
按常规方法首先在2.25Cr－1Mo接管内壁堆焊E309 L、E347 L，堆焊完毕后机加出接管一端的单U型外坡口（见I放大图）。焊前在坡口表面及两侧20 mm范围内进行清理，不得有氧化皮、油污及水锈等杂质。
4.2坡口端面堆焊
堆焊采用焊条电弧焊，堆焊第一层时预热100～120 ℃，堆焊完第一层后立即进行350 ℃×2 h消氢处理，其余层不预热但层间温度应严格控制在100 ℃以下。焊接时尽量用小直径焊条，采用短弧、小电流快速焊。堆焊10～12 mm后，再机加出单U型外坡口（见I放大图），且必须保证机加后堆焊厚度不小于8 mm。
4.3重叠
待接管及其附件与主体组焊后做最终热处理690 ℃×（4－6）h。两换热器水压试验合格后组对重叠。此时接管端部堆焊面及两侧20 mm范围内应重新进行清理。组对间隙保证2～4 mm，错边量小于2 mm。
4.4焊接
重叠口封底时用手工钨极氩弧焊，且背面进行充氩保护。整台设备处于充氩状态，两重叠口用宽胶带封住，边焊边打开胶带。氩弧焊两层后，再采用焊条电弧焊。焊接时层间温度严格控制在100 ℃以下。运条时尽量减少线能量，焊条尽量不摆动，若摆动可适当斜向摆动。焊接完毕时降下电流填满弧坑，防止弧坑裂纹。焊接过程中为检验微小裂纹，每焊一层进行一次渗透检测，检查合格后方可焊下一层，这有利于控制层间温度。渗透检验后一定要清洗掉渗透剂和显像剂，以防止影响焊缝质量。
5结论
（1）严格按上述工艺要求顺利完成两条重叠焊缝的焊接，进行100%射线检测，探伤一次合格。整体水压试验一次合格。产品上的成功运用说明了所采用的焊接材料和焊接工艺的可行性，且具有推广的价值。
（2）按照JB4708－2000标准对焊接接头做了接伸、弯曲试验，其结果合格则说明此焊接接头具有良好的综合力学性能。
（3）该装置已经正式运行无任何异常现象，得到了用户的好评。
参考文献
1 周振丰、张文钺.焊接冶金与金属焊接性［M］.北京：机械工业出版社，1993
The Nickel－based Welding Consumables’ Application while Equipment Overlapping
Wang Juru, Wang Enzhen, Wei Guangquan
Abstract: This article discusses the nickel－based welding consumables’ application in the actual production, so as to reduce the partial final heat treatment of overlapping equipment and ensure product quality.
Key words: equipment overlap mouth; welding performance; nickel－based welding consumables; welding technology
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”