TP347H與12Cr1MoV異種鋼焊接工藝

1、焊接高級(jí)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(guò)程中經(jīng)常遇到屏式再熱器的更換，對(duì)SA213-TP347H 12Cr1MoV 異種鋼焊接所遇到的問(wèn)題以及所采取的改進(jìn)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(jìn)行焊接性分析。通過(guò)選用合適的焊接材料，采用鎢極氣體保護(hù)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(yùn)行，創(chuàng)造了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)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(duì)鍋爐原有屏式再熱器進(jìn)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(guò)燒及氧化等不利因素增加了焊接施工的難度， 對(duì)于這種焊接性能相對(duì)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(diǎn)2.1.2 化學(xué)成份分析，SA213-TP347鋼化學(xué)成份和機(jī)械性能如表1, 由表中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，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(dāng)于我國(guó)的1Crl9NillNb 。奧氏體不銹耐熱鋼是根據(jù)Fe-Cr-Ni 三元平衡圖，當(dāng) 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(lái)的，我國(guó)俗稱 18-8 鋼。由于此類鋼組織為單相奧氏體，因此焊后無(wú)淬硬傾向。但焊接時(shí)，卻易出現(xiàn)晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和焊接熱裂紋。其化學(xué)成分和機(jī)械性能如下表1。表1SA213-TP347H鋼的化學(xué)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(jī)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(wú)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(dá)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(yīng)主要從以下兩個(gè)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(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，奧氏體鋼的導(dǎo)熱性差、熱膨脹系數(shù)大所引起的 高殘余應(yīng)力是造成奧氏體鋼應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的主要原因。焊接殘余應(yīng)力的存在加速了腐蝕的速度，為此焊接時(shí)，應(yīng)盡量降低殘余應(yīng)力。2.1.5 焊接熱裂紋，Cr-Ni奧氏體不銹鋼焊接時(shí)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(dǎo)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(guò)程中形成較大的拉應(yīng)力。 焊縫金屬凝固過(guò)程中存在較大拉應(yīng)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(qiáng)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(fù)雜，相互化合易形成低熔點(diǎn)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(diǎn)，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(duì)于奧氏體不銹鋼來(lái)說(shuō)，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(shí)選用含 有穩(wěn)定化元素的奧氏體鋼焊條或焊絲，手弧焊時(shí)，可采用奧132、奧137;鼠弧焊時(shí)，可采用焊絲ER347H臭產(chǎn))或H1CrlNi9Nb(國(guó)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(diǎn)是小電流、快速焊、窄焊道，嚴(yán)格控制層間溫度，敏弧焊時(shí)注意 做好焊縫背面的充敏保護(hù)。2.2 12Cr1MoV鋼的焊接特點(diǎn)2.2.2 化學(xué)成份分析，、12Cr1MoV鋼化學(xué)成份和機(jī)械性能如表2,由表中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，12CMMoV屬于1Cr-0.5Mo-V型耐熱鋼，通過(guò)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(jiàn)大塊鐵素體組織，細(xì)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(qiáng)度得到顯著改善，少量的 V可進(jìn)一步增加鋼的熱強(qiáng)性。圖1 12Cr1MoV 金相組織 400 X根據(jù)國(guó)際焊接協(xié)會(huì)(IIW)所提出的碳當(dāng)量公式：CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%)由表1的數(shù)據(jù)計(jì)算出12Cr1MoV勺CE (IIW)約為0.52%,可見(jiàn)鋼 材焊接性比較差。焊前需對(duì)焊件進(jìn)行預(yù)熱，焊后需對(duì)焊件進(jìn)行熱處理。 2.2.2焊后冷裂紋的問(wèn)題12Cr1MoV 鋼屬珠光體熱強(qiáng)鋼由于12Cr1MoV鋼是通過(guò)加入 Cr、 Mo合金元素進(jìn)行固溶強(qiáng)化的，對(duì)鋼在冷卻時(shí)的奧氏體分解產(chǎn)生了強(qiáng)12Cr1MoV鋼的化學(xué)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(jī)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(shí)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(dǎo)致冷裂紋的產(chǎn)生。冷裂紋產(chǎn)生是由以下三個(gè)主要因素綜合的作用的結(jié)果：即淬硬組織、擴(kuò)散氫含量和拘束應(yīng)力。由于焊縫或近縫區(qū)產(chǎn)生淬硬組織，在超 過(guò)臨界拉伸

10、應(yīng)力的作用下，經(jīng)過(guò)一定的孕育期而產(chǎn)生裂紋。 其孕育期 的長(zhǎng)短主要取決于擴(kuò)散氫含量和接頭的拘束應(yīng)力。當(dāng)焊縫中擴(kuò)散氫的 含量高，接頭的拘束應(yīng)力大時(shí)則孕育期短， 甚至短至焊后立即產(chǎn)生裂 紋。當(dāng)擴(kuò)散氫含量降低而應(yīng)力水平也低時(shí)則孕育期延長(zhǎng)，甚至可以無(wú)限期延長(zhǎng)，即裂紋實(shí)際不會(huì)發(fā)生。因此，如果針對(duì)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(yīng)的措施， 則冷裂紋是可以防 止的。如采用低氫型焊條并嚴(yán)格烘干，以保證焊縫金屬中低的含氫量， 焊前適當(dāng)進(jìn)行予熱，焊接過(guò)程中保證焊接的層間溫度，焊后緩冷，以 改變焊接過(guò)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?yàn)槔淞鸭y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(yīng)盡量減小裝配的附加應(yīng)力 及自重引起的彈性應(yīng)力，焊后及時(shí)進(jìn)行熱處理以消除接頭的殘余應(yīng) 力。2.2.3 再熱裂紋的問(wèn)題焊接接頭在高溫狀態(tài)下，當(dāng)應(yīng)力松馳的時(shí)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(jī) 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(yīng)力， 但同時(shí)必須小于能引起晶4焊接高級(jí)技師論文內(nèi)滑移變形的臨界應(yīng)力。如果在熱處理過(guò)程中存在上述條件的話，則就會(huì)產(chǎn)生再熱裂紋。所以一般認(rèn)為，凡能導(dǎo)致擴(kuò)大

12、晶間和晶內(nèi)強(qiáng)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(dǎo)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(rèn)為， 二次硬化元素在消除應(yīng)力熱處理時(shí)的時(shí)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(duì)產(chǎn)生再熱裂紋有特別重要的作用。對(duì)12Cr1MoV鋼來(lái)說(shuō)，在焊后消除應(yīng)力熱處理時(shí)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(rèn)為， 如果在進(jìn)行焊后熱處理時(shí)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(shí)存在問(wèn)題由于TP347W 12CrMoV1者化學(xué)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(duì)于異種鋼焊接接頭來(lái)說(shuō) , 成分、組織、性能和應(yīng)力等都是影響焊接質(zhì)量的因素，主要出現(xiàn)以下問(wèn)題。2.3.1 珠光體鋼母材對(duì)焊縫的稀釋作用及熔合區(qū)生成馬氏體過(guò)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(kuò)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(xué)成分和金相組織不同，膨脹系數(shù)也不同，在焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。由以上問(wèn)題會(huì)導(dǎo)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(lái)克服和抑制以上問(wèn)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(guò)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(kuò)散，改變焊接接頭的應(yīng)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(xué)成分和機(jī)械性能.如表3。表3焊絲ERNiCr-3的化學(xué)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(jī)械性能Re(MPa)Rm(MPa)A(%)>380620750>354難點(diǎn)分析和相應(yīng)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(lái)了很大的困難，在接頭位置 很容易產(chǎn)生過(guò)燒、未熔合、氣孔等缺陷。在平時(shí)安裝中類似該部件都 是作為攻關(guān)難點(diǎn)來(lái)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(guò)大家分析后

16、一致認(rèn)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小（僅15mrm,管排與管排之間太密集（僅可將 頭的前部探入），從而導(dǎo)致了焊接“盲區(qū)”，在該處的焊接頭容易產(chǎn)生 過(guò)燒和未熔合，如圖2所示在正常瀛弧焊時(shí)，鴇極伸出瓷嘴3-5mm翻氣保護(hù)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(huì)使瀛氣對(duì)電弧熔化區(qū)域的保護(hù)減弱， 從而易產(chǎn)生氣孔。再者，由于管壁薄，過(guò)燒、氣孔、未熔合等缺陷容 易超標(biāo)，也是薄壁管口焊接質(zhì)量不高的一個(gè)重要原因。如果在兩管之間“盲區(qū)”的接頭處產(chǎn)生超標(biāo)缺陷，給焊口返修帶來(lái)很大的困難。麟雕mi300 m4.2 相應(yīng)措施

17、為了制定最有效的措施，我們進(jìn)行了一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境相似的模擬焊 接試驗(yàn)，采用相同材質(zhì)、規(guī)格的管子以及相同的位置，做好準(zhǔn)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(dòng)，管子里充瀛氣保 護(hù)。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(hù)，我們調(diào)整焊槍 的角度及采用特定的焊接順序，進(jìn)行多次試焊，直到得出理想的結(jié)果。 最后確定了可在實(shí)際焊接中運(yùn)用相應(yīng)措施。如圖 3:5焊接過(guò)程5.1 焊前準(zhǔn)備5.1.1 焊機(jī)選

18、用ZX7-400型時(shí)代逆變焊機(jī)，焊機(jī)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(hù)氣體，敏氣純度A 99.95%5.1.3 坡口制備 對(duì)口間隙控制 2.5-3.0mm,鈍邊0-0.5mm, 6070度V型坡口詳 見(jiàn)圖4; 坡口及其內(nèi)外管壁兩側(cè)10-15mm范圍內(nèi)用角磨機(jī)將銹、油垢 和 氧化物等雜物清理干凈，直至露出金屬光澤； 對(duì)口裝配應(yīng)避免損壞坡口，不得強(qiáng)行對(duì)口，嚴(yán)禁在焊縫坡口外弧， 嚴(yán)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(rèn)真對(duì)口、鈍邊、間隙、錯(cuò)口等應(yīng)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(hào)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(duì)前首先將水溶性紙或面巾 紙揉成適當(dāng)?shù)膱F(tuán)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(gè)氣室。6.4 將球針做成U型，鼠氣通過(guò)球針從焊口間隙的正面位置充入， 在 整個(gè)焊接過(guò)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(hù)作用。對(duì)焊口充瀛氣一分鐘左右后，從“盲區(qū)”位置進(jìn)行打 底(即12點(diǎn)鐘過(guò)一點(diǎn)開(kāi)始)，在對(duì)