TP304H与12Cr1MoV锅炉管异种钢的焊接.pdf

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1、材料工艺 文章编号:100321545(2001)0520012204 TP304H与12Cr1MoV锅炉管异种钢的焊接 赖新华(广东省韶关发电厂焊工培训站 韶关512132) 摘 要 利用舍夫勒组织图对韶关发电厂SA213TP304H与12Cr1MoV异种钢接头可能出现的焊接组织进 行了分析,制订出了合理的焊接工艺,并对锅炉上的SA213TP304H与12Cr1MoV钢焊口进行了施焊,经17个 月的运行,104个焊口未出现爆漏现象。 关键词 异种钢 焊接 组织 工艺 中图分类号:TG142. 7 ,TG44 文献标识码:A Welding of TP304Hand 12Cr1MoV Stee

2、l Tube Joints L ai Xinhua(Shaoguan Power Plant of GuangDong Province ,Shaoguan 512132 ,China) AbstractBased on the analysis on the possible structures of welding joints connecting dissimilar steels SA213TP304H and 12Cr1MoV with reference to the Schaefflers diagram ,a rational welding procedure is wo

3、rked out. The welding of SA213TP304H steel and 12Cr1MoV steeljoints in the boiler of Shaoguan Power Plant is carried out according to the procedure. The 140 dissimilar steel tube weldsprove to be intact in the operation of one and half a year without bursting as their predecessor. KeywordsDissimilar

4、 steelWeldingStructureProcedure 广东省韶关发电厂C厂8 # 炉(200MW)的后 屏、 对流过热器因设计、 燃煤等原因频繁发生爆漏 现象,曾进行过多次改造,主要是用高一等级的钢 材TP347H不锈钢取代部分的12Cr1MoV钢和 102钢,以解决过热器的超温问题。后因买不到 TP347H不锈钢,故以TP304H不锈钢代替,但需 解 决SA213TP304H (42mm3. 5mm )与 12Cr1MoV( 12 %的奥氏体钢焊条、 焊 丝作为珠光体钢和奥氏体不锈钢接头的焊接材 料,焊缝金属得到的组织基本上是奥氏体或者全 部是奥氏体。另一方面,提高填充金属的奥氏体

5、 化能力,是抑制熔合区碳扩散最有效的手段之 一1。为此,我们选用w(Ni)在13 %15 %范围 内的美国焊丝WEL TIG309进行全氩弧焊接,焊 丝及母材的化学成分见表1。 表1 焊丝及母材的化学成分(w)% 材料CCrMoNiMnSiVSP TP304H0. 1118. 739. 981. 120. 0220. 023 12Cr1MoV0. 121. 100. 300. 100. 550. 200. 230. 0350. 035 WEL TIG3090. 0523. 340. 0213. 571. 870. 420. 000. 021 2. 2Cr、Ni的质量分数当量 根据Cr、Ni的质

6、量分数当量的计算公式: weq(Cr) =w(Cr) +w(Mo) + 1. 5w(Si) + 0. 5w(Nb) weq(Ni) =w(Ni) + 30w(C) + 0. 5w(Mn) 可算出Cr、Ni的质量分数当量,如表2所示。 表2Cr、Ni的质量分数当量(weq)% 材料CrNi TP304H18. 7313. 72 12Cr1MoV1. 703. 98 WEL TIG30924. 0815. 87 2. 3 焊后的金相组织分析 图1为舍夫勒组织图。根据Cr、Ni的质量分 数当 量,在 舍 夫 勒 组 织 图 上 分 别 标 出a点 ( 12Cr1MoV )、b点( TP304H )和

7、c点 ( WEL TIG309 )。 如 果 没 有 焊 材 金 属 WEL TIG309 (c)的填充, 12Cr1MoV钢(a)与 TP304H钢(b)同等比例混合后的成分可由舍夫 勒组织图求得,即为图1中a - b连线的中点g对 应的成分,可以认为这就是待焊母材组织成分点。 g点对应成分的母材在与c点对应成分的焊材金 属(WEL TIG309)相熔合后,即构成焊缝金属,焊 缝金属的成分点应落在c - g的连线上,并取决于 熔合比的大小。c - g线交A与A + F区边界线 于d点,交A与A + M区边界线于e点,交M与 A + M区边界线于f点。从图1可以看出,成分 沿c - g线由c点

8、到g点,其焊后组织依次为A + F( 奥氏体+铁素体)、 A( 奥氏体)、A + M(奥氏体 +马氏体)和 M( 马氏体)。 图1 舍夫勒(Schaeffler)组织图 根据图1可以近似得出,在熔合比小于45 % (d 点)时,焊缝组织是A + F;熔合比小于53 %(e 点)时,焊缝不会出现马氏体组织。为了提高焊接 接头的抗热裂能力,珠光体耐热钢与普通奥氏体 不锈钢(w(Cr)/w(Ni) 1)焊接时,在不影响使 用性能的前提下,焊缝中铁素体组织应小于5 %。 由图1可知,将熔合比控制在28 %45 %之间, 即可得到铁素体含量小于5 %的A + F双相组织。 事实上,在焊接热源的作用下,熔

9、化的母材和 填充金属材料相互混合的程度在熔池内部和边缘 31第16卷第5期 赖新华:TP304H与12Cr1MoV锅炉管异种钢的焊接 是不同的,越靠近熔池边缘,母材所占的比例越 大。在紧靠12Cr1MoV一侧熔合线的焊缝金属 中,会形成和焊缝金属成分不同的过渡层1 ,2。 由图1可以看出,此时过渡层将由A + M(奥氏体 +马氏体)区或 M ( 马氏体)区组成。因此,对熔 合比的限制就要更严格一些,否则,很容易在近 12 Cr1MoV一侧焊缝中出现单相马氏体组织。 另一方面,太小的熔合比工艺上又难以控制,因 此,把熔合比控制在35 %(h点)左右,此时焊缝金 属为A + F双 相 组 织,铁

10、素 体 含 量 约3 %; 12Cr1MoV侧 是 奥 氏 体 和 回 火 马 氏 体 组 织; TP304H侧是A + F组织,铁素体含量稍大于 3 %。这样的焊缝组织,其抗热裂纹、 耐晶间腐蚀 和抗延迟裂纹能力都是较好的。 3 焊接工艺 根据以上分析,如何把熔合比控制在35 %左 右是关键问题,只有这样才可能得到比较好的 12Cr1MoV和TP304H焊缝接头组织。因此我们 制定了如下的焊接工艺。 3. 1 焊接方法 采用手工钨极氩弧焊焊接。因为手工TIG 焊具有保护效果好,合金过渡系数高,焊缝成分均 匀而且稳定等优点;此外,氩弧焊的熔合比相对于 手工电弧焊的熔合比要小。打底时钢管内部充氩

11、 气,两层焊满。不进行预热和焊后热处理。 3. 2 坡口型式 坡口型式为V型坡口,因WEL TIG309焊丝 Ni含量较大,焊丝熔化后粘滞性大,不易疏散、 润 湿焊缝坡口两侧,故焊缝坡口角度应适当增加至 70,使焊丝能充分自由地摆动。坡口间隙为 2mm ,钝边为12mm。 3. 3 焊接温度的控制 为避免异种钢焊接接头产生晶间腐蚀及热裂 纹等缺陷,焊接过程中控制层间温度非常重要,因 此焊接时应尽量选用小电流、 小的线能量快速施 焊,每层焊后冷却到100 以下再继续施焊。 因奥氏体不锈钢的线胀系数比珠光体钢大, 热导率比珠光体钢小,焊接时如果冷却速度快,焊 接变形大,在热影响区会产生很大的焊接残

12、余应 力,而焊后回火处理并不能降低残余应力,相反, 其值还会增高1。因此,严格控制冷却速度显得 尤为重要。焊后要用石棉布等保温材料覆盖焊 缝,使焊接残余应力在缓慢冷却过程中能充分消 除。 3. 4 焊接工艺参数 焊接工艺参数见表3。 表3 焊接工艺参数 焊丝型号焊丝规格/ mm电流类型电流/ A电压/ V 焊接速度 / (mmmin21) 气体流量(内/外) / (Lmin21) WEL TIG3092. 4直流正接6075141540507/ 13 3. 5 施焊过程中应注意的事项 (1)仔细清理距焊缝坡口两端各20mm范围 内的油、 锈等杂质; (2)不允许在母材上引弧; (3)在12Cr

13、1MoV侧尽量保持较浅的熔深, 以减小其熔合比; (4)为避免TP304H侧温度过高而产生裂纹, 可采取 “铁水过渡偏熔焊法” 施焊。 4 检验 采用上述的焊接工艺,由 类焊工在焊培站 进行试焊接,对焊接试样进行了以下几项检验: (1)外观检查 焊缝均匀整齐,与母材圆滑过渡,其外形尺寸 达到了DL5007 - 92电力建设施工及验收技术规 范(火力发电厂焊接篇) 的要求。 (2)无损探伤 经X射线检验合格。 (3)力学性能试验 试样进行了拉伸和弯曲试验,结果合格。 (4)金相组织检验 焊缝未发现有裂纹,靠近TP304H侧焊缝为 A + F ( F含 量 约 为 5 %) 的 双 相 组 织;靠

14、 近 41材 料 开 发 与 应 用 2001年10月 12Cr1MoV侧为A + M组织,并有少量的碳化物。 5 实际应用 采用上述焊接工艺,对韶关发电厂8 # 炉后 屏、 对 流 过 热 器 进 行 了 改 造, TP304H钢 与 12Cr1MoV钢的异种焊口共104个,整机运行至 今 (17 个月 ) , 未出现过爆漏现象。 6 结论 (1)对于SA213TP304H(42mm3. 5mm) 与12Cr1MoV (42mm3. 5mm)的异种钢接 头,采用小的焊接线能量,适当增加焊接坡口角 度,减小熔合比(控制在34 %) ,保证了TP304H 侧不产生热裂纹及12Cr1MoV侧不会出

15、现单相 马氏体组织。 (2)经17个月的运行,104个TP304H与 12Cr1MoV异种钢焊口未出现过爆漏现象。 参考文献 1 钱昌黔.耐热钢焊接.北京:水利电力出版社,1988 2 刘中青,刘凯.异种金属焊接技术指南.北京:机械工 业出版社,1997 赖新华,1972年12月生,1996年武汉水利电力 大学焊接工艺及设备专业毕业,助理工程师,现任 广东省韶关发电厂焊接教育培训站焊接技术专 责。 (上接第5页) 表5 丁腈面和氯丁面对贴试样在屈挠试验前后 的剥离强度值 清洗剂 屈挠前/ N/ 25mm 屈挠后/ N/ 25mm 变化率/ % 分析纯二甲苯145. 5136. 26. 4 工业

16、二甲苯136. 5122. 910. 0 工 业 丙 酮167. 4162. 03. 2 乙 酸 乙 酯130. 0110. 515. 0 由表4和表5可以看出,两种试样经过85万 次屈挠试验之后,工业丙酮的剥离强度变化率最 小,说明用工业丙酮作清洗剂的橡胶密封膜具有 良好的耐屈挠性能。 2. 3 剪切强度 橡胶密封膜在实际使用过程中要承受剪切 力,为弄清这几种清洗剂对橡胶密封膜粘接处剪 切强度的影响,按HG/ T258094橡胶或塑料涂 覆织物拉伸强度和扯断伸长率的测定 做了剪切 强度对比试验。结果表明,经几种清洗剂处理过 的橡胶密封膜均本体断裂,即用分析纯二甲苯,工 业二甲苯,工业乙酸乙酯

17、,工业丙酮作清洗剂的橡 胶密封膜在承受压力的情况下都不会在粘接处发 生开裂。 3 结论 (1)经工业丙酮处理后的丁腈面对贴试样和 丁腈面和氯丁面对贴试样的剥离强度分别为 210N/ 25mm和167N/ 25mm ,85万次屈挠试验后 的剥离强度分别为205N/ 25mm和162N/ 25mm , 均高于分析纯二甲苯,剪切强度高于橡胶密封膜 本体的剪切强度,可以选工业丙酮取代分析纯二 甲苯作为气柜橡胶密封膜用清洗剂。 (2)用工业丙酮取代分析纯二甲苯不仅能满 足性能要求,而且可以降低成本,改善工作条件, 是完全可行的。 51第16卷第5期 赖新华:TP304H与12Cr1MoV锅炉管异种钢的焊接