HR3C鋼采用Thermanit 617和YT HR3C焊絲焊接接頭高溫短時(shí)強(qiáng)度性能試驗(yàn)

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。HR3C鋼采用Thermanit 617和YT HR3C焊絲焊接接頭高溫短時(shí)強(qiáng)度性能試驗(yàn)HR3C鋼焊接的接頭做高溫短時(shí)強(qiáng)度試驗(yàn)HR3C鋼采用Thermanit 617和YT-HR3C焊絲焊接接頭高溫短時(shí)強(qiáng)度性能試驗(yàn)林志華 孔雁 徐強(qiáng) 吳明生 上海電力建設(shè)有限責(zé)任公司 摘 要：本文通過(guò)對(duì)采用配套焊材YT-HR3C和鎳基合金Thermanit 617焊材焊接HR3C鋼的焊接接頭，在四個(gè)不同溫度條件下的高溫短時(shí)強(qiáng)度性能對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明鎳基合金焊材Thermanit 617焊接HR3C鋼的焊接接頭高溫短時(shí)

2、強(qiáng)度性能高于YT-HR3C焊材的焊接接頭。關(guān) 鍵 詞：HR3C鋼 鎳基合金焊材 高溫短時(shí)強(qiáng)度0 前言超超臨界（USC）火力發(fā)電機(jī)組是有效利用能源的一項(xiàng)新技術(shù)。目前，USC鍋爐受熱面中的過(guò)熱器、再熱器處于環(huán)境惡劣的條件之下，所用鋼材在滿足持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度要求的同時(shí)，還要滿足管子外壁抗煙氣腐蝕及抗飛灰沖蝕性能、管子內(nèi)壁抗蒸汽氧化性能，所以采用具有抗煙氣腐蝕、抗高溫腐蝕和高溫蒸汽氧化能力強(qiáng)的高鉻鎳奧氏體鋼HR3C。1問(wèn)題由來(lái)現(xiàn)在與HR3C鋼相配套的YT-HR3C焊材由日本日鐵住金溶接工業(yè)株式會(huì)社生產(chǎn)，不但價(jià)格昂貴而且市場(chǎng)無(wú)貨，給工程安裝焊接造成了很大的影響。為此，選用合理的鎳基合金焊材來(lái)替代YT-

3、HR3C焊材，在進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定的基礎(chǔ)上，還針對(duì)不同工況溫度條件下做了焊接接頭高溫短時(shí)強(qiáng)度試驗(yàn)，為充實(shí)焊接工藝評(píng)定項(xiàng)目提供數(shù)據(jù)。HR3C鋼采用由德國(guó)伯樂(lè)蒂森公司生產(chǎn)的鎳基合金焊材Thermanit 617進(jìn)行的焊接工藝評(píng)定，焊接接頭的常溫機(jī)械性能的各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是對(duì)HR3C鋼采用鎳基焊材Thermanit 617焊接接頭的高溫短時(shí)強(qiáng)度性能仍存在疑慮。因此，我們通過(guò)對(duì)HR3C鋼用配套的焊材YT-HR3C和HR3C鋼用鎳基焊材Thermanit 617焊接的接頭做高溫短時(shí)強(qiáng)度性能試驗(yàn)并將兩者試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如果后者的數(shù)值等同或超過(guò)前者，那么為工程上選用鎳基合金焊絲焊接HR3C鋼

4、提供了一定的依據(jù)。1000MW超超臨界鍋爐部件，采用HR3C鋼的焊口數(shù)見(jiàn)表1。表1 HR3C鋼管的焊口組件名稱材質(zhì)規(guī)格數(shù)量（只）焊絲用量約（Kg）過(guò)熱器HR3C48.2610.161672236再熱器HR3C60.324.662112160注：以上表內(nèi)為外高橋電廠三期21000MW工程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。2試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法2.1試驗(yàn)用材料試驗(yàn)采用HR3C鋼管規(guī)格為48.2610.16，V型坡口對(duì)接；焊接材料為YT-HR3C和Thermanit 617，直徑2.4；焊接位置為45斜焊（6G）,兩種焊材各焊接四只焊口；焊接方法為手工鎢極氬弧焊（GTAW）；焊接設(shè)備為逆變焊機(jī)（ZX7-400ST）；保護(hù)氣體

5、高純氬；鎢極型號(hào)為Wc-20規(guī)格2.5。HR3C鋼管及YT-HR3C、 Thermanit 617焊絲的化學(xué)成分見(jiàn)表2，HR3C鋼和Thermanit 617焊絲的常溫機(jī)械性能見(jiàn)表3。材 料CCrNiMoNbMnSiSPNCuTiAlCoFeHR3C0.0624.9220.28-0.451.190.380.0010.0180.26-0.002-YT-HR3C0.0527.4020.350.890.451.580.300.0020.0010.300.3-Thermanit 6170.0521.5余量9.0-0.10.10.0010.003-0.010.51.011.01.0表2試驗(yàn)用HR3C鋼管

6、及YT-HR3C、 Thermanit 617焊絲的化學(xué)成分（%）表3 HR3C鋼管和Thermanit 617焊絲的常溫機(jī)械性能材料牌號(hào)Rp0.2(MPa)Rm(MPa)A（%）HR3C（SPEC）30067030Thermanit 617（EN-1597-1 焊態(tài)）45070030注：YT-HR3C焊絲質(zhì)保書(shū)內(nèi)未提供常溫機(jī)械性能數(shù)據(jù)。2.2焊接工藝焊接HR3C鋼的主要問(wèn)題是容易出現(xiàn)焊接高溫裂紋。為了防止焊縫發(fā)生高溫裂紋采用如下焊接工藝：（1）采用全鎢極氬弧焊，封底焊管內(nèi)充氬保護(hù)。（2）嚴(yán)格控制焊接熱輸入采用多層多道焊。（3）層間溫度控制在不大于100。焊口的裝配尺寸、焊層焊道分布見(jiàn)圖1，焊

7、后焊口外觀見(jiàn)圖2。 圖1 焊口的裝配尺寸和焊層焊道 圖2 試件YT-HR3C（左）617（右）為確保兩種焊材所焊接的接頭高溫短時(shí)強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，兩種焊材焊接時(shí)盡可能采用相同的工藝參數(shù)（包括焊接電流、焊層厚度、焊接速度、冷卻速度等），焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表4、5。表4 Thermanit 617焊絲焊接HR3C鋼的工藝參數(shù)焊層 焊道電流極性焊絲直徑(mm)層間溫度（）電流 （A）電壓 （V）速度（mm/min）氬氣流量L/min焊道厚度（mm）點(diǎn)焊DC-2.43010010-11.537正8/背931/1DC-2.4709210-1135正8/背932/2DC-2.47710010-11.565

8、723/3DC-2.47510010-11.590723/4DC-2.48510010-11.565724/5DC-2.48110010-11.570724/6DC-2.47910010-11.560725/7DC-2.47710010-11.565725/8DC-2.48610010-11.575725/9DC-2.48310010-11.56372表5 YT-HR3C焊絲焊接HR3C鋼的工藝參數(shù)焊層 焊道電流極性焊絲直徑(mm)層間溫度（）電流 （A）電壓 （V）速度（mm/min）氬氣流量L/min焊道厚度（mm）點(diǎn)焊DC-2.43010010-11.537正8/背931/1DC-2.4

9、789210-1137正8/背932/2DC-2.45910010-11.548723/3DC-2.48710010-11.576723/4DC-2.47710010-11.565724/5DC-2.48910010-11.555724/6DC-2.47510010-11.555725/7DC-2.48310010-11.565725/8DC-2.48010010-11.560725/9DC-2.46710010-11.580722.3試驗(yàn)內(nèi)容及方法試驗(yàn)內(nèi)容：HR3C鋼用配套的焊材YT-HR3C和HR3C鋼用鎳基合金焊材Thermanit 617焊接的接頭分別做焊接接頭布氏硬度、微觀金相組織和

10、高溫短時(shí)強(qiáng)度性能試驗(yàn)。高溫短時(shí)強(qiáng)度性能試驗(yàn)溫度為550、600、625、650四個(gè)溫度段。試驗(yàn)方法：試樣按DL/T868-2004焊接工藝評(píng)定規(guī)程取樣，高溫拉伸試件按GB/T4338 -2006金屬材料 高溫拉伸試驗(yàn)方法加工5(GR2)試樣。硬度試驗(yàn)按GB/T 231-2009金屬布氏硬度試驗(yàn)，在69I型布洛維硬度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。金相組織試驗(yàn)按GB/T13298-1991金屬顯微組織檢驗(yàn)方法，在Axiovert 200MAT金相顯微鏡上進(jìn)行。高溫短時(shí)拉伸試驗(yàn)按GB/T4338-2006金屬材料 高溫拉伸試驗(yàn)方法，在AMSLER液壓式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。3試驗(yàn)結(jié)果對(duì)兩組焊接接頭布氏硬度、

11、微觀金相組織和焊接接頭在不同溫度下的高溫短時(shí)強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。3.1焊接材料為Thermanit617的焊接接頭硬度結(jié)果見(jiàn)表6，硬度試樣和宏觀金相照片見(jiàn)圖3、圖4（02p、02y）。3.2焊接材料為YT-HR3C的焊接接頭硬度結(jié)果見(jiàn)表7，硬度試樣和宏觀金相照片見(jiàn)圖3、圖4（03p、03y）。表6 HR3C小口徑管對(duì)接焊，焊接材料為Thermanit617試樣編號(hào)試驗(yàn)溫度()硬度符號(hào)左側(cè)母材左側(cè)熱影響區(qū)焊縫右側(cè)熱影響區(qū)右側(cè)母材02P26HBW2.5/187.519319720919520922220720120519719721318919320502Y26HBW2.5/187.519319

12、7209213222232193205222201222227197197201注： P表示平焊位置，Y表示平焊位置。表7 HR3C小口徑管對(duì)接焊，焊接材料為YT-HR3C試樣編號(hào)試驗(yàn)溫度()硬度符號(hào)左側(cè)母材左側(cè)熱影響區(qū)焊縫右側(cè)熱影響區(qū)右側(cè)母材03P26HBW2.5/187.519718918919720920918220920719320521518918920503Y26HBW2.5/187.5189182189201213213191207243199201217189189199注： P表示平焊位置，Y表示平焊位置。02y硬度02p硬度+03p硬度03y硬度圖3 硬度試樣照片02p金相

13、02y金相03y金相03p金相圖4金相試樣照片3.3焊接材料為Thermanit617和 YT-HR3C焊接HR3C鋼的焊接接頭的金相組織見(jiàn)表8。表8 HR3C小口徑管對(duì)接焊，焊接材料為Thermanit617和 YT-HR3C金相組織項(xiàng)目試驗(yàn)部位顯微組織放大倍數(shù)侵蝕液備注Thermanit617焊材母材奧氏體50鉻酸圖5-a熔合線/50鉻酸焊縫區(qū)奧氏體枝晶50鉻酸圖5-bYT-HR3C焊材母材奧氏體50鉻酸圖6-a熔合線/50鉻酸焊縫區(qū)奧氏體枝晶50鉻酸圖6-b3.4 Thermanit617焊接HR3C鋼焊縫的微觀金相圖見(jiàn)圖5；YT-HR3C焊接HR3C鋼焊縫的微觀金相圖見(jiàn)圖6。圖5-a圖

14、5-b圖6-a圖6-b100m100m100m100m3.5焊接材料為Thermanit617焊接接頭高溫短時(shí)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9，試件斷口見(jiàn)圖7。表9焊接材料為Thermanit617焊接接頭高溫短時(shí)強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)試樣編號(hào)試驗(yàn)溫度()RP0.2(MPa)Rm(MPa)A()備注02P155025554538.0斷母材02P260025553041.2斷母材02P362523051527.0斷母材02P465023050532.0斷母材02Y155024556540.0斷母材02Y2600240525斷標(biāo)外斷母材02Y362522552040.0斷母材02Y465023551038.0斷母材注：P

15、表示平焊位置Y表示仰焊位置，RP0.2和A數(shù)據(jù)僅供參考。圖7焊接材料為Thermanit617焊接接頭高溫短時(shí)強(qiáng)度試驗(yàn)試樣02p1(550)02p2(600)02p3(625)02p4(650)02y1(550)02y2(600)02y3(625)02y4(650)3.6焊接材料為YT-HR3C焊接接頭高溫短時(shí)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10，試件斷口見(jiàn)圖8。表10焊接材料為YT-HR3C焊接接頭高溫短時(shí)強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)試樣編號(hào)試驗(yàn)溫度()RP0.2(MPa)Rm(MPa)A()備注03P155023551034.0斷焊縫03P260022049529.0斷焊縫03P362523045519.0斷焊縫03P4

16、65023047026.0斷焊縫03Y155022052034.0斷焊縫03Y260023047025.0斷焊縫03Y362521547028.0斷焊縫03Y465022546024.0斷焊縫注：P表示平焊位置Y表示仰焊位置，RP0.2和A數(shù)據(jù)僅供參考。03p1(550)03p2(600)03p3(625)03p4(650)03y1(550)03y2(600)03y3(625)03y4(650)圖8焊接材料為YT-HR3C焊接接頭高溫短時(shí)強(qiáng)度試驗(yàn)試樣3.7試驗(yàn)結(jié)果3.7.1采用鎳基合金Thermanit 617和YT-HR3C焊材焊接HR3C鋼焊后焊縫的硬度平均值分別為HB205.5和HB20

17、6.5基本一致。3.7.2二種焊絲焊后的焊縫金相組織均為奧氏體枝晶。3.7.3四個(gè)溫度段高溫短時(shí)強(qiáng)度的平均值見(jiàn)表11。表11高溫短時(shí)強(qiáng)度的平均值溫度（）高溫短時(shí)強(qiáng)度的平均值（MPa）Thermanit 617YT-HR3C550555515600527.5482.5625517.5462.5650507.5465以上數(shù)據(jù)顯示采用Thermanit 617焊絲焊后的四個(gè)溫度段高溫短時(shí)強(qiáng)度數(shù)據(jù)的平均值均高于YT-HR3C焊絲高溫短時(shí)強(qiáng)度值，前者的試件拉伸后均斷在母材上，后者則斷在焊縫上。4結(jié)論4.1 HR3C鋼屬高鉻鎳新型奧氏體不銹鋼，其焊接工藝有別于常規(guī)的奧氏體不銹鋼，必須優(yōu)先采用鎢極氬弧焊（GTAW）焊接方法，焊接時(shí)需嚴(yán)格控制焊接熱輸入量，宜采用多層多道薄層焊，每道焊縫厚度2mm，層間溫度控制在不大于100。4.2 采用Thermanit 617鎳基合金和YT-HR3C焊絲焊接HR3C鋼焊后焊縫的硬度平均值基本相同，焊縫金相組織均為奧氏體枝晶，而Thermanit 617焊絲的焊接接頭的550、600、625和650的四個(gè)溫度段的高溫短時(shí)強(qiáng)度值均高于YT-HR3C焊絲的焊接接頭高溫短時(shí)強(qiáng)度值。4.3 Therman