TP347H與12Cr1MoV異種鋼焊接工藝

1、焊接高級技師論文SA213-TP347比12CHMoVI種鋼焊接工藝摘要 電廠鍋爐安裝及檢修過程中經(jīng)常遇到屏式再熱器的更換，對SA213-TP347H 12Cr1MoV 異種鋼焊接所遇到的問題以及所采取的改進措施和方法，直接影響到設(shè)備質(zhì)量，為保證設(shè)備質(zhì)量，進行焊接性分析。通過選用合適的焊接材料，采用鎢極氣體保護的焊接工藝，獲得了優(yōu)良的焊接接頭，提高了設(shè)備質(zhì)量，保證設(shè)備的安全可靠運行，創(chuàng)造了良好的社會效益和經(jīng)濟效益，希望能為以后類似工程提供一些很好的借鑒。關(guān)鍵詞SA213-TP347H ； 12Cr1MOV 薄壁管 異種鋼 焊接工藝1 前言電廠鍋爐檢修中，對鍋爐原有屏式再熱器進行局部更換成SA2

2、13-TP347HM質(zhì)的屏管與集箱連接小管（材質(zhì)為12Gr1MoV相連接，屏式再熱器管屏一共有54排每排20根管，每排間距300mm管 子間距15mm焊口位置在穿頂棚管250mmt,規(guī)格為57.5X4.5。在 這管子密集焊接空間位置狹窄，每根管間焊口的填充和蓋面都存在焊接盲區(qū)、焊縫背面易過燒及氧化等不利因素增加了焊接施工的難度， 對于這種焊接性能相對較差的異種鋼的焊接，要保證質(zhì)量需要有可行的焊接工藝和焊接方法。2 鋼材的焊接性分析2.1 SA213-TP347鋼的焊接特點2.1.2 化學成份分析，SA213-TP347鋼化學成份和機械性能如表1, 由表中數(shù)據(jù)可見，SA213-TP347鋼是奧氏

3、體不銹耐熱鋼，屬于 188 型鉻鎳奧氏體不銹鋼，相當于我國的1Crl9NillNb 。奧氏體不銹耐熱鋼是根據(jù)Fe-Cr-Ni 三元平衡圖，當 Cr 含量大于或等于18%， Ni 含量大于或等于8%，室溫下可獲得單相奧氏體的原理而發(fā)展起來的，我國俗稱 18-8 鋼。由于此類鋼組織為單相奧氏體，因此焊后無淬硬傾向。但焊接時，卻易出現(xiàn)晶間腐蝕、應力腐蝕開裂和焊接熱裂紋。其化學成分和機械性能如下表1。表1SA213-TP347H鋼的化學成分70ftC(%)Si(%)Mn(%)Cr(%)Ni(%)P(%)S(%)含量0.04-0.07<0.75<2.0017.0020.009.0013.00

4、< 0.030< 0.030SA213-TP347H鋼的機械性能Re(MPa)Rm(MPa)A(%)>205>515縱352.1.3 晶間腐蝕，晶間腐蝕主要包括焊縫晶間腐蝕、熱影響區(qū)（HAZ）敏化腐蝕和焊趾處刀狀腐蝕。無論哪種晶間腐蝕，均是由于在奧氏體 晶粒周界首先發(fā)生碳的集聚，而后碳與銘相結(jié)合而形成Cr23C6或碳的銘化物，使晶間發(fā)生貧碳造成的。止匕外，單相奧氏體焊縫金屬呈發(fā) 達的柱狀晶，經(jīng)敏化溫度（450850C）后，出現(xiàn)的貧銘層可以貫穿晶 粒之間而構(gòu)成腐蝕介質(zhì)集中的腐蝕通道， 使不銹鋼的耐蝕性下降。避 免晶間腐蝕應主要從以下兩個方面入手：a.降低母材或焊材的含碳量

5、，采用超低碳、低碳奧氏體鋼和焊材，其次是在焊材或母材中加入 一些穩(wěn)定碳元素的合金元素，如 Ti或Nb; b.從焊接冶金方面看，打 散奧氏體焊縫金屬中的柱狀晶，形成雙相組織。2.1.4 應力腐蝕開裂，奧氏體鋼的導熱性差、熱膨脹系數(shù)大所引起的 高殘余應力是造成奧氏體鋼應力腐蝕開裂的主要原因。焊接殘余應力的存在加速了腐蝕的速度，為此焊接時，應盡量降低殘余應力。2.1.5 焊接熱裂紋，Cr-Ni奧氏體不銹鋼焊接時有較大的熱裂紋傾向， 主要與以下因素有關(guān)：a.奧氏體鋼的導熱系數(shù)小和線膨脹系數(shù)大，在焊接局部加熱和冷卻條件下，接頭再冷卻過程中形成較大的拉應力。 焊縫金屬凝固過程中存在較大拉應力是產(chǎn)生凝固裂紋

6、的必要條件；b.奧氏體易形成方向性很強的柱狀晶焊縫組織， 有利于有害雜質(zhì)的偏析 而促使形成晶間液態(tài)間層，促使產(chǎn)生焊縫凝固裂紋；奧氏體鋼及其焊 縫的合金組成復雜，相互化合易形成低熔點共晶體，形成有害的液態(tài) 間層。另外，一些雜質(zhì)元素容易產(chǎn)生偏析，也是促使產(chǎn)生熔點，共晶 體的原因。防止奧氏體不銹鋼焊縫產(chǎn)生熱裂紋的主要措施是選擇合適 的焊接材料，調(diào)整合金成分，使焊縫具有奧氏體和鐵素體的雙相組織， 并限制焊接材料中的雜質(zhì)元素的碳的含量。2.1.6 焊材及工藝的選擇，焊接材料的選用對于奧氏體不銹鋼來說，為了保持足夠好的抗腐蝕性和抗裂性，要求焊縫具有奧氏體和一定量 的鐵素體的雙相組織，以保持金屬的塑性韌性。

7、為此，焊接時選用含 有穩(wěn)定化元素的奧氏體鋼焊條或焊絲，手弧焊時，可采用奧132、奧137;鼠弧焊時，可采用焊絲ER347H臭產(chǎn))或H1CrlNi9Nb(國產(chǎn))。以 確保焊縫組織均為A+F,符合奧氏體不銹鋼的焊接要求。工藝及操作 要點是小電流、快速焊、窄焊道，嚴格控制層間溫度，敏弧焊時注意 做好焊縫背面的充敏保護。2.2 12Cr1MoV鋼的焊接特點2.2.2 化學成份分析，、12Cr1MoV鋼化學成份和機械性能如表2,由表中數(shù)據(jù)可見，12CMMoV屬于1Cr-0.5Mo-V型耐熱鋼，通過金相分析，可確定它的 金相組織為珠光體型，如圖1所示，圖中可見大塊鐵素體組織，細小 碳化物在晶界和晶內(nèi)沉淀。

8、由于 Cr、Mo的加入，鋼的抗氧化性、高 溫強度得到顯著改善，少量的 V可進一步增加鋼的熱強性。圖1 12Cr1MoV 金相組織 400 X根據(jù)國際焊接協(xié)會(IIW)所提出的碳當量公式：CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%)由表1的數(shù)據(jù)計算出12Cr1MoV勺CE (IIW)約為0.52%,可見鋼 材焊接性比較差。焊前需對焊件進行預熱，焊后需對焊件進行熱處理。 2.2.2焊后冷裂紋的問題12Cr1MoV 鋼屬珠光體熱強鋼由于12Cr1MoV鋼是通過加入 Cr、 Mo合金元素進行固溶強化的，對鋼在冷卻時的奧氏體分解產(chǎn)生了強12Cr1MoV鋼的化學成分70ftC(%

9、)Si(%)Mn(%)Cr(%)Mo(%)V(%)P(%)S(%)含量0.080.150.170.370.400.700.901.200.250.350.150.30工 0.035工 0.03512Cr1MoV鋼的機械性能Re(MPa)Rm(MPa)A(%)>255471638>21烈的影響，致使鋼的焊接性變差。這種鋼具有較大的淬硬傾向，焊后 空冷得到的組織為珠光體+貝氏體。若焊接時冷卻速度稍快，可能出 現(xiàn)少量馬氏體，則極易形成淬硬組織，導致冷裂紋的產(chǎn)生。冷裂紋產(chǎn)生是由以下三個主要因素綜合的作用的結(jié)果：即淬硬組織、擴散氫含量和拘束應力。由于焊縫或近縫區(qū)產(chǎn)生淬硬組織，在超 過臨界拉伸

10、應力的作用下，經(jīng)過一定的孕育期而產(chǎn)生裂紋。 其孕育期 的長短主要取決于擴散氫含量和接頭的拘束應力。當焊縫中擴散氫的 含量高，接頭的拘束應力大時則孕育期短， 甚至短至焊后立即產(chǎn)生裂 紋。當擴散氫含量降低而應力水平也低時則孕育期延長，甚至可以無限期延長，即裂紋實際不會發(fā)生。因此，如果針對限制產(chǎn)生冷裂紋的 上述因素，從技術(shù)和工藝上采取一些相應的措施， 則冷裂紋是可以防 止的。如采用低氫型焊條并嚴格烘干，以保證焊縫金屬中低的含氫量， 焊前適當進行予熱，焊接過程中保證焊接的層間溫度，焊后緩冷，以 改變焊接過程的熱循環(huán)，降低接頭的冷卻速度，避免淬硬組織的產(chǎn)生， 并有利于氫的逸出；因為冷裂紋是在某一低溫的溫

11、度下出現(xiàn)的， 保持 溫度不低于此值則裂紋即可避免。止匕外、應盡量減小裝配的附加應力 及自重引起的彈性應力，焊后及時進行熱處理以消除接頭的殘余應 力。2.2.3 再熱裂紋的問題焊接接頭在高溫狀態(tài)下，當應力松馳的時候接頭具有較低塑性， 而這種塑性的降低是和合金碳化物的析出有關(guān)。再熱裂紋產(chǎn)生的機 理：由于晶間滑移變形產(chǎn)生的微小裂縫和因晶間蠕變引起的微小空穴 是促使再熱裂產(chǎn)生的重要因素。而產(chǎn)生這種晶間滑移變形，其作用力 必須大于能引起晶間滑移變形的臨界應力， 但同時必須小于能引起晶4焊接高級技師論文內(nèi)滑移變形的臨界應力。如果在熱處理過程中存在上述條件的話，則就會產(chǎn)生再熱裂紋。所以一般認為，凡能導致擴大

12、晶間和晶內(nèi)強度差別的因素，例如提高晶內(nèi)固溶硬化或晶內(nèi)析出硬化，能導致晶間脆化的晶間析出或鋼中雜質(zhì)的晶間偏析等因素，都可以產(chǎn)生再熱裂紋。所以認為， 二次硬化元素在消除應力熱處理時的時效析出而引起的二次析出硬化現(xiàn)象，即所謂晶內(nèi)析出硬化，對產(chǎn)生再熱裂紋有特別重要的作用。對12Cr1MoV鋼來說，在焊后消除應力熱處理時二次析出所形成的密集的碳化物沉淀，就成了產(chǎn)生再熱裂紋的主要原因。因此，可以認為， 如果在進行焊后熱處理時不產(chǎn)生碳化物的二次析出現(xiàn)象則就能避免再熱裂紋的產(chǎn)生。2.3 SA213-TP347ffi 12Cr1MoV早接時存在問題由于TP347W 12CrMoV1者化學成分有較大的差別，加之顯

13、微組織的截然不同，從焊接角度出發(fā)，屬典型異種鋼接頭。對于異種鋼焊接接頭來說 , 成分、組織、性能和應力等都是影響焊接質(zhì)量的因素，主要出現(xiàn)以下問題。2.3.1 珠光體鋼母材對焊縫的稀釋作用及熔合區(qū)生成馬氏體過渡層，從而惡化了焊接接頭的質(zhì)量，容易引起裂紋。2.3.2 熔合區(qū)的碳擴散，結(jié)果在靠近熔合線的珠光體母材上形成鐵素體組織脫碳層而軟化，在奧氏體焊縫一側(cè)形成高硬度的增碳層。2.3.3 焊接接頭由于化學成分和金相組織不同，膨脹系數(shù)也不同，在焊接時會產(chǎn)生較大的殘余應力。由以上問題會導致焊縫的早期失效，所以需要選擇合理的焊接工藝措施、 焊接工藝參數(shù)和相匹配的焊接材料來克服和抑制以上問題從而獲得滿意焊接

14、接頭。3 焊接方法和焊材電廠建設(shè)中，薄壁小管焊接通常采用手工鎢極氬弧焊的方法焊接，采用手工鎢極氬弧焊打底，手工鎢極氬弧焊填充蓋面。通過焊接性的分析，選擇超低碳、含有穩(wěn)定碳元素的合金元素Nb或Ti和線膨脹系數(shù)接近于珠光體耐熱鋼的銀基合金型材料是（珠光體耐熱鋼/ 奧氏體不銹鋼）這類異種鋼焊接最理想的焊接材料，目的能抑制焊縫的熔合區(qū)中碳的擴散，改變焊接接頭的應力分布。從而改善了焊縫及熔合區(qū)的組織和性能，使用的焊材是ERNiCr-3,規(guī)格為© 2.4。焊材化學成分和機械性能.如表3。表3焊絲ERNiCr-3的化學成分70ftC(%)Si(%)Mn(%)Cr(%)Ni(%)Nb(%P(%)S(

15、%)含量0.0020.0040.090.163.143.1520.2020.6072.5473.002.722.770.0040.0050.0020.008焊絲ERNiCr-3的機械性能Re(MPa)Rm(MPa)A(%)>380620750>354難點分析和相應措施由于屏式再熱器管口的管壁較薄，壁厚為4.5mm管子密集度大， 焊口管與管之間僅為15mm給施焊帶來了很大的困難，在接頭位置 很容易產(chǎn)生過燒、未熔合、氣孔等缺陷。在平時安裝中類似該部件都 是作為攻關(guān)難點來焊接的，這就要求我們必須找出缺陷產(chǎn)生的原因， 并選用合適規(guī)范，以確保此次檢修的焊接質(zhì)量。4.1 困難分析通過大家分析后

16、一致認為容易產(chǎn)生缺陷的主要原因是屏式再熱 器管口之間的距離較?。▋H15mrm,管排與管排之間太密集（僅可將 頭的前部探入），從而導致了焊接“盲區(qū)”，在該處的焊接頭容易產(chǎn)生 過燒和未熔合，如圖2所示在正常瀛弧焊時，鴇極伸出瓷嘴3-5mm翻氣保護狀態(tài)為最好。但 為了讓電弧作用到管口間隙最小的焊接“盲區(qū)”，只有將鴇棒比正常 情況下多伸出2mmfc右，這樣會使瀛氣對電弧熔化區(qū)域的保護減弱， 從而易產(chǎn)生氣孔。再者，由于管壁薄，過燒、氣孔、未熔合等缺陷容 易超標，也是薄壁管口焊接質(zhì)量不高的一個重要原因。如果在兩管之間“盲區(qū)”的接頭處產(chǎn)生超標缺陷，給焊口返修帶來很大的困難。麟雕mi300 m4.2 相應措施

17、為了制定最有效的措施，我們進行了一個現(xiàn)場環(huán)境相似的模擬焊 接試驗，采用相同材質(zhì)、規(guī)格的管子以及相同的位置，做好準備工作， 在兩根管子的背面堵上保溫材料或防火布， 和管口里面150mmt用水 溶性紙或面巾紙堵住，使兩管之間不至有空氣流動，管子里充瀛氣保 護。以三層焊完焊口（即打底、填充和蓋面），由于位置的限制必須 采用頭戴皮面罩，將鴇極必須比正常伸出多2mmg6 6-7mm）才能完成“盲區(qū)”位置接頭的焊接，為得到良好的鼠氣保護，我們調(diào)整焊槍 的角度及采用特定的焊接順序，進行多次試焊，直到得出理想的結(jié)果。 最后確定了可在實際焊接中運用相應措施。如圖 3:5焊接過程5.1 焊前準備5.1.1 焊機選

18、用ZX7-400型時代逆變焊機，焊機性能優(yōu)良。5.1.2 焊材選用鼠弧焊絲ERNiCr3,除去表面的油垢等臟物。選用鼠 氣作保護氣體，敏氣純度A 99.95%5.1.3 坡口制備 對口間隙控制 2.5-3.0mm,鈍邊0-0.5mm, 6070度V型坡口詳 見圖4; 坡口及其內(nèi)外管壁兩側(cè)10-15mm范圍內(nèi)用角磨機將銹、油垢 和 氧化物等雜物清理干凈，直至露出金屬光澤； 對口裝配應避免損壞坡口，不得強行對口，嚴禁在焊縫坡口外弧， 嚴禁在管子上焊接與支撐物。6焊接工藝措施6.1 要求鉗工認真對口、鈍邊、間隙、錯口等應符合規(guī)范的要求。6.2 為保證質(zhì)量，屏式再熱器所有管口均選用全鼠焊接工藝。根據(jù)火

19、電建設(shè)工程總公司提供的工藝卡要求如下表 4:表4層數(shù)焊接 方法焊絲電流范圍電壓范圍(V)焊接速度(mm/min)焊絲牌號規(guī)格極性電流(A)1WsERNiCr-3(J2.4正接65 8010-1350 65>2WsERNiCr-3(J2.4正接65 8010-1360 75注：a.僦氣流量810L/min ,背面僦氣流量 810L/min ;b.層間溫度小于100 C。6.3 在焊接方面，采取以下措施：焊口組對前首先將水溶性紙或面巾 紙揉成適當?shù)膱F狀在管口兩側(cè)焊口壁內(nèi)150mmt堵住，間隙處使用醫(yī)用膠布封住，使管壁內(nèi)形成一個氣室。6.4 將球針做成U型，鼠氣通過球針從焊口間隙的正面位置充入， 在 整個焊接過程中，一邊焊接一邊往管口里面充瀛氣保證根部有足夠的 鼠氣保護作用。對焊口充瀛氣一分鐘左右后，從“盲區(qū)”位置進行打 底(即12點鐘過一點開始)，在對