（材料加工工程专业论文）sa213—t91钢焊接技术研究.pdf

中文摘要 中文摘要 在动力工程中，大容量、高参数电站锅炉的过热器、再热器大量采用s a 2 1 3 - - t 9 1 钢。s a 2 1 3 - - t 9 1 钢在工程焊接中打底层焊接时需要充氩保护，本文研制了一种 s a 2 1 3 一t 9 1 钢药芯焊丝，在工程焊接中打底层焊接时可免除充氩保护，焊丝经焊接 工艺评定，焊接工艺性能良好，适用于全位置焊接，熔敷金属的力学性能达到s a 2 1 3 一t 9 l 钢的要求。与实芯焊丝相比，用于底层焊道焊接时，可实现熔池背面的熔渣保 护，免去复杂的背面充氩保护，焊接接头的高温持久性能优于实芯焊丝。 通过焊接工艺设计方案的试验对比，优选出了以药芯焊丝作为打底材料，实芯焊 丝作为填充及盖面材料的氩弧焊焊接工艺，焊后热处理方式采用远红外履带式加热 器，热处理时间2 小时。此工艺既去掉了根层焊接时繁杂的充氩保护工艺过程，填 充、盖面焊使用实芯焊丝免去了清渣过程，加快了焊接速度，力学性能指标满足要 求，该焊接工艺满足了生产的要求。热处理采用能在现场使用的加热装置，安全可 靠。该焊接工艺表现了很强的现场实用性，焊接接头性能指标达到焊接工艺评定的指 标。药芯焊丝( y r 9 1 w ) 打底，实芯焊丝( t g s - 9 c b ) 填充盖面组合焊接工艺是先进 的，此工艺密切联系生产实际。适合检修现场。 关键词：s a 2 1 3 - - t 9 1 钢；药芯焊丝；焊接；动力工程 a b s r a ( 了 a b s t r a c t i np o w e ri n d u s t r y ，s a 2 1 3 - t 9 1s t e e la r ew i d e l yu s e di ns u p e r h e a t e ra n dr e h e a t e ro f m i h t yb o i l e r af l u x - c o r e dw i r ef o rs a 2 1 3 - t 9 1s t e e li sd e v e l o p e d , w h i c hc a nb eu s e df o r a l l - p o s i t i o nw e l d i n ga n df e a t u r e dw i t hh i g hw e l dp e r f o r m a n c ec o n f i r m e db yw e l dp r o c e d u r e e v a l u a t i o n c o m p a r i n gw i t hs o l i dw e l d i n gw i r e i tc a nr e a l i z em o l t e n - s l a gp r o t e c t i o n a t b a c k s i d eo fm o l t e np o o l ，s oa st oa v o i dt h ec o m p l i c a t e db a c k s i d ea r g o n - f i l lp r o t e c t i o n m o r e o v e r , t h eh i g ht e m p e r a t u r ee n d u r a n c ep e r f o r m a n c eo ft h ew e l d e dj o i n ti sa l s ob e t t e r t h a nt h a tu s i n gs o l i dw e l d i n gw i r e t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no f t h ed e s i g n e dw e l d i n gt e c h n i c s ，t h et e c h n i c sw i t hf l u x - c o r e d w i r ea sr e n d e r i n gm a t e r i a la n ds o l i dw e l d i n gw i r ea sf a l l i n ga n ds u r f a c em a t e r i a li sc h c o s e d t h eh e a tt r e a t m e n ta d o p t e di n f r a r e dh e a t e ra n dt w o - h o u rh e a t i n gt i m e t h et e c h n i c sn o to n l y g e tf i do ft h ec o m p l i c a t e db a c k s i d ea r g o n - f i l lp r o t e c t i o n , b u ta l s oa v o i dt h ep l d c e s so f c l e a r i n gw e l d i n gs l a g a n di tr a i s e st h er a p i do fw e l d t h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ei s s a t i s f i e d , s ot h et e c h n i c ss a t i s f yt h ep r a c t i c a ld e m a n d a n dt h eh e a tt r e a t m e n te q u i p m e n t w h i c hc a nb eu s e di nl o c a l ei ss a f ea n dr e l i a b l e t h i sf l u x - c o r e dw i r e ，t h e r e f o r e ，c a n s u b s t i t u t es o l i dw e l d i n gw i r et ow e l ds a 2 1 3 0 t 9 1s t e e li np o w e re n g i n e e r i n g i naw o r d , t h e t e c h n i c si sa d v a n c e da n da d a p tt ot h el g a m i n ea n dr e p a i rl o c a l e k e yw o r d s ：s a 2 1 3 - t 9 1s t e e l ；f l u x - c o r e dw i r e ；w e l d i n g ；p o w e re n g i n e e r i n g n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 学位论文作者签名：专亟辞 签字日期：一j 年，月，歹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权 盘鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：事亟建 签字日期：五彬；年，月r 日 导师签名：栩列诊 签字日期：年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 t 9 1 钢的研究和发展概况 到本世纪五十年代，电站锅炉钢管大多采用铁素体合金钢( 2 1 1 4 cr l mo ) 和奥氏体不锈钢( tp3 0 4 、tp3 4 7 等) ，但随着高参数机组的发展，锅炉温度和压力 的迸一步提高，对钢管材料的高温蠕变性能和抗应力腐蚀方面提出了更高的要求，世 界上开始进行了一些非微量合金9 cr l mo 钢管的试验：五十年代末，比利时的 l i e g e 冶金研究中心第一次详细说明了“超级9 c r ”钢，当时确定的化学成份是9 c r - 2 m o ，并有n b 和v 的添加；i l l ，材料牌号为e m l 2 ，法国u s i n o r 钢铁公司熔炼了第 一炉该钢材，瓦鲁海克用这种e m l 2 钢轧制出了第一根过热器用钢管，e m l 2 的化学 成份如表1 1 ；1 9 6 4 年法国电力公司( e i ) f ) 批准温度高达6 2 0 的过热器和再热器 可以使用e m l 2 ，替代过去使用的不锈钢管；虽然e d f 证实e m l 2 作为过热器管性能 良好，可以长时间工作，但是由于其二元结构问题，导致有冲击韧性差的问题；六十 年代末，德国研究开发了1 2 铬钢x 2 0 c r m o v l 2 1 ( x 2 0 钢) ，1 9 7 9 年正式纳入 d 1 7 1 7 5 标准中，该钢材的化学成份如表l - 2 ，x 2 0 钢与2 l 4 c r - l m o 及1 2 c r l m o v 钢相比，具有更高的蠕变强度，但温度高于5 2 0 时其蠕变断裂强度不及e m l 2 ，更 重要的是由于碳含量高，故焊接性能差；较后同一系列的其他钢种，如瑞典的h t 9 ， 日本的h c m 9 m 都先后出现；1 9 7 4 年，美国能源部委托橡树岭国家实验室( o r n l ) 研究用于液体金属快中子增殖堆计划的钢材，开始研究改进的9 c r - 1 m o 钢种，弗进 行了性能试验，在5 9 3 ，1 0 万小时条件下的持久强度达到1 0 0 m p a ，韧性也比较 好，从技术和经济角度看，这种钢比e m l 2 好，化学成份上的主要差别是d o 含量减 少一半，低n b 、v ，并控制n 、c u 、n i 等的含量。1 9 8 0 - 1 9 8 4 年美国、英国、加拿大 等国家先后在过热器、再热器上用t 9 1 代替t p 3 2 1 、t p 3 4 7 和t p 3 0 4 等不锈钢材料。 1 9 8 2 年橡树岭国家实验室进行了t 9 1 、e m l 2 和x 2 0 三种材料的比较研究，1 9 8 3 年，美国a s m e 和a s t m 先后批准将改进的9 c r - l m o 钢分别载于s a 2 1 3 和a 2 1 3 标 准内，批准t 9 1 在锅炉过热器和热交换器上应用。1 9 8 5 年美国电力研究所( e p r j ) 进行了改进燃煤电厂的1 4 0 3 号课题研究，对于可燃用硫份、灰份高的低价劣质煤的 主汽压力和温度更高的超临界锅炉，选用t 9 1 作为水冷壁管材。1 9 8 7 年法国瓦鲁海 克工业公司针对t 9 1 与x 2 0 和e m l 2 的比较评估研究发表技术报告认为，t 9 1 有明显 的优点，强调要从e m l 2 转为使用t 9 1 钢材。，k 十年代末，在关系到t 9 1 钢的生产与 应用的实际问题方面，德国曼内斯曼公司进行了长期的试验，以验证材料的特性，主 要是弥散特性及蠕变强度，并进一步发展和测试了焊接材料【l 】。 第一章绪论 表1 - 1e m l 2 钢的化学成分 元素 cm n p ss ic rm on ia 1s nv 含量0 8 00 2 08 51 7 0o 3 0o 2 0 o 0 20 0 3 o 1 5 o 。0 3o 0 3o 3 0 1 3 00 6 51 0 52 3 0500 5 50 4 0 注：见法国n f a 4 9 - 2 1 3 。 表1 - 2x 2 0 c r m o v l 2 1 钢的化学成分 元素 cm n pss i c rm on iv 含量 0 1 7 1 0 0 0 0 8 0 0 1 3 0 0 2 5 1 o o o 5 0 0 2 3 0 0 3 00 0 3 0 1 2 5 0 1 2 0 0 3 5 o 3 5 t 9 1 ( p 9 1 ) 钢是一种改进的9 cr 一1mo 钢，它是在9 ct 一1mo 钢的基 础上通过添加v 、nb 、n 等合金元素而形成的。在美国材料实验学会( a st m ) 和美国机械工程师学会( asm e ) 标准中，t 9 l 代表锅炉用小管，p 9 1 代表大直 径钢管，f 9 1 代表锻钢。这种牌号的钢在法国nf 标准中用tuz 1 0 cdv nb 0 9 0 1 表示，在德国曼内斯曼钢管公司用x 1 0 crmovnb 9 1 表示，在日本住友 金属株式会社用h c m 9 s 表示。 1 2 1 9 1 钢的化学成分和主要。性能 1 2 1 化学成份及合金化原理 t g l 钢和部分9 1 2 c r 钢以及常用的低合金钢和奥氏体不锈钢的化学成分列 入表1 - 3 1 1 。 表l - 3 口1 钢与有关钢材的化学成分 一 1 2 c r l m o v钢1 0 2 兀t 9 1t 9t 2 2t p 3 0 4 h ( g b 5 3 i o -( g b 5 3 1 0 素( a 2 1 3 )( a 2 1 3 )( a 2 1 3 )( a 2 1 3 ) 9 5 )9 5 ) 0 0 8 0 0 4 c 0 1 5o 1 50 0 8 o 1 50 0 8 o 1 5 o 1 2o 1 0 0 3 0 0 3 0 0 3 0 m n2 o o 0 4 0 0 7 00 4 5 o 6 5 o 6 0o 6 0o 6 0 p0 0 2o 0 30 0 3 0 0 40 0 3 50 0 3 5 s0 0 10 0 3o 0 3o 0 30 0 3 5 0 0 3 5 o 2 0 0 2 5 s io 5 0o 7 5o 1 7 o 3 70 4 5 o 7 5 0 5 01 o o 第一章绪论 8 o o 8 o o 1 9 0 1 8 o c ro 9 0 1 2 01 6 0 2 1 0 9 5 01 0 0 02 6 02 0 o 0 8 5 0 9 0 0 8 7 m o0 2 5 o 3 50 5 0 o 6 5 1 0 51 1 01 1 3 o 1 8 v 0 1 5 o 3 0o 2 8 o 4 2 o 2 5 0 0 6 n b 0 1 0 o 0 3 n o 0 7 a 1 0 0 4 n i0 4 0 8 o 11 0 w0 3 0 o 5 5 t i0 0 8 o 1 8 b0 0 0 8 t 9 1 钢中各合金元素分别起到固溶强化、弥散强化和提高钢的抗氧化性、抗腐蚀 性能，具体如下： ( 1 ) 碳是钢中固溶强化作用最明显的元素，随含碳量的增加，钢的短时强度上 升，塑性、韧性下降。对于t 9 1 这类马氏体钢，含碳量的上升会加快碳化物球化和聚 集速度，加速合金元素的再分配，降低钢的焊接性、耐蚀性和抗氧化性，故耐热钢一 般都希望降低含碳量，但含碳太低，钢的强度将降低。t 9 1 钢与1 2 c r l l d o y 钢相比， 含碳量降低2 0 ，这是综合考虑上述因索的影响而决定的。 ( 2 ) t 9 1 钢中含微量氦，氮的作用体现在两方面，一方面起固溶强化作用，常温 下氮在钢中的溶解度很小，碍l 钢焊后热影响区在焊接加热和焊后热处理过程中，将 先后出现v n 的固溶和析出过程：焊接加热时，热影响区内已形成的奥氏体组织由于 1 ，n 的溶入，氮含量增加，此后常温组织中的过饱和程度提高。在随后的焊后热处理 中有细小的、，n 析出，增加了组织稳定性，提高了热影响区的持久强度值。另一方 面，t 9 1 钢中还含有少量a l ，氮能与其形成a 1 n ，a i n 在1 1 0 0 1 2 以上才大量溶人基 体，在较低温度下又重新析出，能起到较好的弥散强化作用。 ( 3 ) 加入铬主要是提高耐热钢的抗氧化性、抗腐蚀能力，含铬量小于5 时， 6 0 0 开始剧烈氧化，而含铬量达5 时，就具有良好的抗氧化性。1 2 c r l m o v 钢在 5 8 0 以下具有良好的抗氧化性，腐蚀深度为0 0 5 m m a ，6 0 0 时性能开始变差，腐 第一章绪论 蚀深度为0 1 3 m a t 9 1 含铬量提高到9 左右，使用温度能达到6 5 0 c ，主要措施 就是使基体中溶有更多的铬。 ( 4 ) 钒与铌都是强碳化物形成元素，加人后能与碳形成细小而稳定的合金碳化 物为提高高温强度，在使用期间使钢中各碳化物能缓慢析出，必须将v 含量控制在 0 2 5 以下：添加微量n b 能使c 以n b c 的形式固定下来，提高高温强度。 ( 5 ) m o 是决定高c r 铁素体耐热钢高温蠕变断裂强度的重要合金元素，高的含 量，可起到固溶强化作用和碳化物( 必。，邸) 及金属间化合物( f e d l o ) 析出强化作 用。 1 2 2 金相组织 t 9 1 钢在正火并经7 3 0 c 7 6 0 c 回火热处理后，金相组织呈典型的马氏体骨架结 构，导致m b c 6 铬碳化物沉淀在马氏体骨架的边缘，此处还形成m x 形的v n b 碳氮 化物。在较粗的m 2 3 c 6 碳化物及内部较细的沉淀转换成细箔之后，会发现次微粒内较 大的错位密度，这种具有高移位密度的细次晶粒结构是t 9 1 钢高蠕变强度的决定因 素。 1 2 3 物理性能 对于电站运行所用的钢种，最关心的物理性能是材料的热膨胀系数和导热性。 t 9 1 钢的弹性模数、线膨胀系数、热传导系数等主要物理性能数据列入表1 - 4 【2 】。文 献【1 】列出了t 9 1 ，x 2 0 ( x 2 0 c r m o v l 2 1 ) ，t 2 2 ( 1 0 c r m 0 9 1 0 ) 和t p 3 1 6 l n 的物理性 能比较曲线。钢的物理性能与它的化学成份和晶体结构有关而与微结构无关，也就是 说x 2 0 和t 9 1 有相似的物理性能，而t 2 2 和t p 3 1 6 l n 则分别由于化学成份的不同和 晶格结构不同造成它们与t 9 1 的物理性能有较大差异，特别是与不锈钢相比，t 9 1 具 有低的热膨胀系数和好的导热性，是一种物理性能较好的管道用热强钢，使用t 9 1 钢 可以减少膨胀应力和由温度梯度( 仅对于厚壁p 9 1 管件而言) 产生的热瞬态应力。 表i - 4t 9 1 钢的物理性能 温度热传导系数弹性模数 由室温( 2 0 ) 至指定温度的 w m l k1 0 v i p a 平均热膨胀系数1 0 5 k - 1 2 02 62 1 8 5 02 62 1 61 0 6 1 0 02 72 1 3 1 0 9 1 5 02 72 1 0 1 1 1 2 0 02 82 0 71 1 3 2 5 02 82 0 31 1 5 3 0 0 2 91 9 91 1 7 第一章绪论 3 5 02 91 9 51 1 8 4 0 02 91 9 01 2 0 4 5 03 01 8 61 2 1 5 0 03 01 8 11 2 3 5 5 03 01 7 51 2 4 6 0 03 01 6 81 2 6 6 5 03 01 6 21 2 7 1 2 4 力学性能 ( 1 ) 室温力学性能 t 9 i 钢和几种常用钢材的窒温力学性能列于表1 5 。可以看出，t 9 1 钢的抗拉强 度和屈服极限高于t 2 2 、t p3 0 4 h 和1 2 c r l m o v ，但低于x 2 0 。与e m 2 钢相当。在法 国标准n f 4 9 2 1 3 中，t 9 1 钢的室温抗拉强度最大值可达7 7 0m p a ，还可看出t 9 1 钢的 塑性较好。 表1 5t 9 1 和几种常用钢的力学性能 标准牌号屈服极限抗拉强度延伸率硬度h b a s t ma 2 1 3t 9 l4 1 55 8 52 02 5 0 a f n o r e m1 23 9 05 9 0 7 4 02 0 a f 4 9 2 1 3 d 口n1 7 1 7 5x 2 0 c r m o v l 2 l4 9 06 9 0 8 4 01 7 a s t ma 2 1 3t p 3 0 4 h2 0 55 1 53 51 9 2 a s t ma 2 1 3 t 2 22 0 54 1 53 01 6 3 c b 5 3 1 0 - 9 51 2 c d m o v2 5 54 7 1 6 3 82 l ( 2 ) 冲击韧性 t 9 1 钢具有相当高的抗拉强度和细微晶粒结构，它的冲击韧性和脆性温度的高低 均明显优于同类的x 2 0 和e m l 2 钢。 ( 3 ) 高温蠕交持久强度和许用应力 t 9 l 钢限制了碳含量，加入了v 、n b 和n ，使得它比常用的t 2 2 钢有更高的持 久强度和许用应力，试验表明在5 5 0 ( 2 1 0 万小时的持久强度值，t g l 钢是t 2 2 钢的2 倍。表1 - 6 中列出了t 9 1 钢与t 2 2 、x 2 0 、t 3 0 4 h 和1 2 c r l m o v 钢在不同温度下的许 用应力。可以看出，在5 4 0 6 1 0 范围内t 9 1 钢的许用应力明显高于1 2 2 、t p 3 0 4 h 第一章绪论 和x 2 0 钢，当然在大于6 0 0 以后，随着温度的升高，t g l 钢的许用应力下降速度要 比t p 3 0 4 h 快，因此，目前只用于温度在6 4 0 1 2 以下工作条件的锅炉管。 标准钢号5 1 0 5 3 8 5 4 6 5 6 6 5 9 3 1 26 2 1 6 5 0 a s m 匣 b 3 1 1 1 9 9 2 t 9 l1 0 7 f 09 8 69 5 98 9 o7 1 o4 8 32 9 6 a s m 匪 a s m e b 3 1 1 1 9 9 2 t 2 27 5 85 3 74 9 83 9 92 8 9 a s m e a s m 旧 1 1 p 3 0 4 b 3 1 1 1 9 9 26 8 96 7 56 6 96 5 5 6 1 35 8 4 1 1 p 3 0 4 h a s m 匣 d 小i x 2 0 c r m o v l 2 |1 4 0 01 0 0 69 0 2 6 8 o4 3 92 7 51 5 3 7 1 7 5 1 9 7 9 g b 5 3 l o - 1 2 c r m o vl l o o7 8 87 3 46 0 2 5 0 ，0 ( 5 s 0 ) 1 9 9 5 1 2 5 供货态热处理工艺及微观组织 在试验和实践基础上，各国主要供货商对t 9 1 钢都建立了相应的热处理程序， 基本上大同小异，采用热处理方法，可使t 9 1 钢具有稳定的抗蠕变强度，又降低硬 度，保持良好的韧性，易于加工。 研究表明，t 9 1 钢的最佳热处理温度为1 0 5 0 正火，7 8 0 c 高温回火。1 0 5 0 。c 正 火后，组织为板条马氏体和少量的未溶碳化物，马氏体内存在大量位错缠结形成的胞 状结构。经7 8 0 c 高温回火后。板条马氏体形貌基本消失，但马氏体位向依然存在， 其内部位错密度降低，而胞状结构仍然清晰，此结构有一定的强化效应，在7 8 0 。c 回 火时，由于合金元素c r 、v 、n b 的扩散能力显著增强，除析出以c r 为主的地型碳 化物外，还析出以v 、n b 为主的m c 型的碳化物，其尺寸细小，稳定性极好。n b 、v 和溶入m c b 型碳化物中，可提高其稳定性。从6 0 0 0 1 4 2 3 h 时效的试验中观察 到，碳化物类型没有变化，尺寸变化也很小。可见，t 9 1 钢高温持久强度的主要原因 是合金元素c r 的固溶强化和c r ，m o 、n b 等碳化物的析出强化及位错胞状结构强化效 应的综合效果m 。 1 2 6 加工性能 第一章 绪论 ( 1 ) 热处理 在大量试验和实践基础上各国对t 9 1 钢都建立了自己的热处理程序，基本上是大 同小异。各国的热处理规范列于表1 - 7 。采用这样的热处理方法，可以使t 9 1 钢具有 稳定的抗蠕变强度，又降低硬度，保持良好的韧性，易于加工。 表1 - 7 各国1 9 1 钢的热处理规范 国别正火回火 美国( a s m e2 1 3 )1 0 4 0 7 3 0 法国瓦鲁海克公司1 0 4 0 1 0 9 0 保持3 0 r a i n 以上 7 8 0 p - 4 - 1 5 樱椿6 0 m i n 以r 德国曼内斯曼公司1 0 4 0 1 0 8 0 保持3 0 m i n 以上7 3 0 7 8 0 保持3 0 r a i n 以上 日本住友金属株式会社1 0 4 0 1 0 6 0 保持1 0 r a i n 以上7 6 0 ：7 8 0 c 保持3 0 m i n 以上 ( 2 ) 焊接性 1 9 7 8 年美国橡树岭国家实验室最早开展了t 9 1 钢的可焊性研究，后来法国、日 本、英国的研究机构都相继开展了这方面的研究工作，主要进行焊接热裂纹试验、焊 根裂纹试验，y 型坡口试验，以及氧敏感性试验和消除应力裂纹试验以及预热温度试 验、焊件的拉伸蠕交特性试验等。结果表明该材料焊接性优于t p 3 0 4 h 和x 2 0 钢，而 且给出了较成熟的焊接工艺和方法。 t 9 1 钢可以采用现行电弧焊接方法包括氩弧焊( g ) 方法进行焊接。典型的有 s m a w 、s a m 、g m a w 等焊接工艺。德国规定t 9 1 钢可按所有现行方法进行焊接， 预热温度和层间温度在1 8 0 2 5 0 之间，这种预热温度下焊接不会出现裂纹。 对焊条和焊剂的化学成份选择，应使焊缝和母材的化学成份一致或接近，使焊接 金属具有与母材相同或更好的蠕变和持久强度。 ( 3 ) 弯曲性及其他性能 t 9 1 钢管采用冷弯或热弯都没有任何困难，一般都采用冷弯方法。根据对弯管受 拉、受压和中性三个区域进行室温和6 0 0 下的拉伸试验，结果与管子初始状态基本 相同。经过v 型坡口试样冲击试验证明，韧性也较高，与管子初始状态没有差别。当 弯管半径与管子外径之比在1 3 1 8 条件下，冷弯后l o 万小时下的高温持久强度下 降约1 0 ，在允许的强度变化范围内。 另外，经5 4 0 6 0 0 温度范围内1 0 0 x1 0 4 周期疲劳试验证明，1 - 9 1 的抗疲劳性 能优于1 2 2 和t p 3 0 4 h ，t 9 1 的抗高温氧化性也远远高于砣2 钢。 1 3 问题的提出及研究意义 第一章绪论 s a 2 1 3 - t g l 钢现己广泛用于国内外大容量高参数锅炉的过热器和再热器，翎材几 乎全部从国外进口，有大量t 9 1 钢材质的小径管需要焊接。1 9 1 钢管一般采用的是以 实芯焊丝作填充材料的钨极氩弧焊焊接工艺，底层焊道焊接时均需在焊道背面充氩保 护，以防止根部金属的高温氧化，只有充氩才能保证焊接接头的质量。而在大型复杂 工程现场施工的条件下实施焊道背面充氩的措施难度较大。同时，目前s a 2 1 3 - t 9 1 钢的焊接多采用进口的实芯焊丝，价格昂贵。由此可见，生产实践中迫切需要研制一 种能够替代实芯焊丝t i g 焊的药芯焊丝，以克服上述问题。 本文拟研究一种焊接工艺性能良好，可以实现全位置焊接，机械性能可满足 s a 2 1 3 - t 9 1 钢要求的药芯焊丝，利用药芯焊丝容易实现气渣联合双重保护的特点，实 现管内壁不用充氩保护的要求。利用药芯焊丝焊接可以达到简化工艺、提高效率、降 低成本的目的。 1 4 本文研究内容 s a 2 1 3 一t 9 l 钢在工程焊接中打底层焊接时需要充氩保护，本文研制了一种 s a 2 1 3 - - t 9 1 钢药芯焊丝，在工程焊接中打底层焊接时可免除充氩保护，焊丝经焊接 工艺评定，焊接工艺性能良好，适用于全位置焊接，熔敷金属的力学性能达到s a 2 1 3 一t 9 l 钢的要求。与实芯焊丝相比，用于底层焊道焊接时，可实现熔池背面的熔渣保 护，免去复杂的背面充氩保护。 采用s a 2 1 3 - - t 9 1 钢药芯焊丝，对s a 2 1 3 - t 9 1 钢焊接工艺进行研究。采用不充氩 保护、药芯焊丝( y p 0 1 w ) 打底、实芯焊丝( t g s 9 c b ) 填充盖面焊接工艺，此工艺 去掉了充氩保护工艺过程，采用了实芯焊丝免去了层间的清渣过程，加快了焊接速 度，热处理采用能在现场使用的远红外加热装置，安全可靠。经过电厂实际使用，证 实此种工艺性能良好，打底焊时背面免去了繁杂的充氩保护工艺，填充、盖面焊使用实 芯焊丝增加了焊接速度，力学性能指标满足规程要求，该焊接工艺满足了生产的要 求。 第二章药芯焊丝的研制 2 1 研制焊丝的技术指标 第二章药芯焊丝的研制 本课题拟研制用于s a 2 1 3 t 9 1 耐热钢t i g 焊用的药芯焊丝，以解决生产实践中 所遇到的根部焊接时需要的充氩难题和探索替代价格昂贵的国外进口焊材的可能性。 研制的用于t 9 1 钢t i g 焊的药芯焊丝，应可实现电站锅炉安装及检修时t 9 1 钢焊 缝的打底及填充焊接，其工艺性能要接近或优于国外同类实芯焊丝( t g s 一9 c b ) ，能够 进行全位置焊接，打底时管道内部不充氩，从而达到简化工艺，提高效率，降低成本 的目的。同时，要求所研制焊丝直径为2 5 哪左右，工艺性能适合t i g 焊全位置焊 接，脱渣容易，低氢、低硫磷。 熔敷金属力学性能指标为：6 & 2 3 1 m p a ，c 。 4 7 6 m p a ( 焊后7 6 0 2 h 热处理) 。 所要求的熔敷金属化学成分如下表： cs im npsc rm on ivn b 0 0 8 o 2 0 0 柏m 0 2 0如0 2 08 0 o 8 5 0 ，6 0 o 1 5 o 0 4 0 1 00 0 6 01 0 01 1 01 00 3 00 0 6 注：m n + n i 1 5 2 2t 9 1 药芯焊丝渣系 2 2 1 焊接方法及药芯焊丝种类的确定 根据是否外加保护，药芯焊丝被分为三类：自保护，气保护和焊剂保护。由于 电站中用的t 9 1 钢都是管材的形式，所以不适合用埋弧焊的方法来焊接；自保护药芯 焊丝焊接时其药芯中有造气和造渣的成分形成气渣联合保护来防止大气对高温和液体 金属的有害作用，但保护效果仍不够理想，所焊焊缝的质量不高，而这种方法实现熔 池背面保护的效果也不佳；气体保护焊尤其是惰性气体保护焊具有最佳的保护效果， 而手工t i g 焊操作灵活，可实现全位置焊接，1 9 1 钢合金含量较高、合金成分较复 杂，对熔敷金属的纯净度及力学性能均有严格的要求，为此，按电力行业有关技术要 求仍采用手工钨极氩弧焊，即采用氩气保护，然而为了实现底层焊道的背面保护，决 定采用药芯焊丝作为填充丝，在其药芯中加入适当成分和数量的造渣剂，以实现背面 熔渣保护。 2 2 2 药芯渣系的选择及药芯基础配方设计 第二章药芯焊丝的研制 药芯焊丝的渣系直接关系到焊接工艺性能和其他性能的好坏，其药芯配方设计 是本课题研究的关键。t 9 1 钢t i g 焊药芯焊丝作为一种新型的焊接材料，它的药芯渣 系也存在许多新的问题，必须根据实际情况，结合以往的经验，确定出最合适的渣 系。一般来说，合适渣系的熔渣应起到如下作用；形成飘浮于熔池焊缝金屡表面的 熔渣，以避免空气的有害作用；冶金处理作用，有助于净化熔敷金属并获得出优质 的焊缝金属；向焊缝金属渗加某些微量合金元素，以改善焊缝金属的性能；起稳 弧剂作用，以产生柔和的焊接电弧并减少飞溅。 此外，在t 9 1 大量钢管焊接时，目前所用的实芯焊丝t i g 焊焊接底层焊道时需 采用背面充氩的复杂工艺，因为t i g 焊时，正面a r 气保护效果良好，背面却没有a r 气保护，如果背面不充氩，高温金属将会被氧化，空气中其它有害气体也将进入溶 池，严重影响焊接质量。本课题所研制的药芯焊丝应能发挥其有渣保护这一优势，但 熔渣应具有合适的熔点、粘度和表面张力，也就是既要有较好的流动性，又要保证熔 渣有一定的粘度，以使得熔渣能完全覆盖溶池表面。利用熔孔效应，借助电弧吹力和 熔渣的浸润能力，在焊接底层焊道时，使得熔渣能同时覆盖焊缝内外表面，实现单面 焊，双面保护。 由于药芯焊丝是将一定配比的粉料均匀混合后( 低温烘焙) ，经药芯焊丝主轧机 的加粉装置直接加入由成形辊压出的钢带u 形槽内、合拢后再轧制和拉拔减径而成； 药芯中不需加入水玻璃等作粘结剂，一般药芯焊丝熔敷金属扩散氢含量均在低氢指标 范围内，因此在渣系的选择上有较大的灵活性。在确定了渣系之后即可根据渣系图及 研制焊丝对药芯及熔渣熔点等方面的要求进行基础配方设计。该药芯焊丝一般比较容 易获得优良的焊接工艺性能。 c 田i o2 03 d 辨竹柏螂i 瑚_ c t i o z 图2 - 1s i 0 2 _ t i0 2 _ c a 0 渣系状态图 第二章药芯焊丝的研制 所研制药芯配方初步设计的药芯成分主要为金红石、长石、石英、冰晶石、大 理石及少量的脱氧剂和合金剂( 见表2 - 2 ) 。计算出的该渣系的主要成分三者之间比例 范围为s i q ：1 0 1 2 ；t i o ：8 2 8 5 ；c a 0 ：3 6 。处于渣系状态图中1 3 6 5 熔点 线附近的平行四边形框线内区域( 见图2 - 1 ) ，可满足药芯焊丝熔渣熔点低于钢带熔 点的要求。 表2 - 2 研制焊丝的药芯主要成分范围( ) 金红石长石石英冰晶石 大理石 锰矿 脱氧剂合金剂 1 5 - 4 0 2 1 2 l 1 02 1 51 - 1 5o 一52 - 1 53 0 一7 0 2 2 3 药芯焊丝配方设计应注意的问题 ( 1 ) 熔敷金属的合金成分 对于t 9 1 钢焊缝合金化，其目的首先是要求焊缝具有良好的高温使用性能，并 兼顾室温力学性能。其次，不仅要考虑防止焊缝产生热裂纹，而且还应尽可能减少接 头的内应力，进而防止焊接热影响区产生冷裂纹。第三，应防止在高温长期运行时熔 合区合金元素的扩散。所设计的焊接材料应使得焊缝金属的合金成分和母材基本相 同，以使得焊接接头获得良好的高温强度和蠕变抗力，而常温强度可与母材的强度性 能一致。为了弥补焊后热处理等对焊件的影响，可使设计的焊接材料熔敷金属的强度 略高于母材。另外，为了提高焊缝金属的抗熟裂能力，焊接材料中碳的总含量控制在 略低于母材的碳含量水平。但是，不能太低，否则长时间高温时效会导致焊接接头高 温强度的下降。 ( 2 ) 扩散氢含量问题 扩散氢是造成焊接热影响区冷裂纹的重要因素。正是因为这个原因，在焊丝的 配方设计时要努力使熔敷金属扩散氢的含量达到低氢的标准。 2 3t 9 1 药芯焊丝焊接工艺性能试验 2 3 1 试验材料 在药芯焊丝生产线上，将按基础配方配制的药粉填充在已轧成的u 型的薄钢带 内，闭合成o 形后经拉拔至啦4 m m 面成。钢带采用低碳冷轧钢带，5 = 0 。5 m m ，其化 学成分如表2 3 。各种粉料的成分及粒度均符合有关焊材的原材料标准的要求。 表2 - 3 钢带化学成分( ) 元素cm ns isp 含量 0 0 0 20 0 6o 0 1 1 0 0 0 5 第二章药芯焊丝的研制 2 3 2 试验方法 试验采用芬兰l ( e p p ip s s 一5 0 0 0 型氩弧焊机，焊接工艺参数如表2 4 所示。 表2 - 4 焊接工艺参数 焊接电流( a )电弧电压c v )电源极性气体流量 ( l m i n ) 1 0 0 1 6 01 5 直流正接 8 1 5 表面堆焊；在1 5 0 1 0 0 1 6 m 和1 5 0 1 0 0 8 m 的1 6 m n 钢板表面堆焊，焊前试 板表面打磨除锈。焊接时观察电弧稳定性、飞溅大小，焊后观察熔渣覆盖情况，观察 熔敷金属成形，看其有无焊接缺陷。 对按焊：用两块1 5 0 1 0 0 8 m 的1 6 m n 钢板，不开坡口进行对接焊。试板焊前 将对接处打磨除锈。两板预留间隙l m 左右。焊接时注意观察电弧稳定性、飞溅大小 等工艺性能，焊后观察熔渣覆盖情况，然后敲去焊道表面熔渣，观察其脱渣状况及表 面成型、表面气孔情况。然后用铁锤沿焊缝砸断对接试板，观察焊缝断面情况。 坡口对接焊：用两块1 5 0 6 0 1 6 m 开单边3 0 。坡口的1 6 m n 钢板在坡口内对接 焊，观察坡口内焊缝的成型、飞溅大小、脱渣性、渣覆盖率、表面气孔的情况。 钢管对接焊：将两段0 5 1 4 m 开单边3 0 。坡口的t 9 1 钢管在坡口内对接焊，间 隙为2 3 n m , 焊后探伤并观察背面保护情况。 每次试验后，对观察的试验结果进行分析，并综合比较，然后针对主要矛盾对 药芯成分进行调整，再转入下一轮。这一过程要反复进行，直到焊接工艺性满意为 i 匕。 图2 - 2 研制焊丝的焊接工艺性能皿j p l 一1 8 ) 第二章药芯焊丝的研制 2 4t g l 药芯焊丝药芯成分调整 试验焊丝的工艺性能试验结果如图2 2 所示。经多次对配方进行调整和反复试验 之后，编号为l j p 一1 6 的t 9 1 钢t i g 焊药芯焊丝获得了优良的焊接工艺性能，在所有试 验焊丝中为最佳。该焊丝焊接时飞溅极小，熔渣覆盖完全，脱渣性极好，焊缝成型美 观，焊缝表面光滑平整，全位置焊易操作；该焊丝能够实现单面焊双面保护。 2 4 1 药芯成分对飞溅及气孔敏感性的影响 本课题所研制的药芯焊丝用于t i g 焊，焊丝只用来填充焊缝，不参与导电过程， 飞溅阀题比焊条电弧焊和e 0 2 焊小的多。但如果药芯成分配方不当，贝f j 也可能产生部 分飞溅。在t i g 焊时，即使少量的飞溅也会导致钨极烧损加剧、气嘴阻塞、熔池观察 不清等问题。在试验中发现，当药芯中含有较多大理石时，就会出现上述问题。这是 因为大理石在高温下分解出c o ：气体及随后的一系列化学反应产生c o 所造成的。降 低含碳量及药芯的氧化性可减少飞溅。 t g l 钢含碳量很低，一般不会产生c o 气孔，在正常的气保护情况下也不会产生氮 气孔，所以可能出现的气孔只能是氢气孔。这类气孔的出现也与药芯成分有一定的关 系。对于研制的焊丝来说，药芯中硅酸盐造渣物较多，焊接时其中的结晶水分解，使 电弧气氛中氢的分压增大，强化了熔池对氢的吸收；二是药芯中碳酸盐矿物加入量较 少，电弧气氛中的氧化势相应较低，对氢的抑制作用减弱；另外多量的硅酸盐增大了 硅向熔池的过渡，而硅是表面活性元素，它阻碍氢由熔池的逸出。 焊缝中产生气孔的根本原因是由于操作不当造成保护效果不好使得熔池在高温时 溶解了较多的气体，另外在焊接冶金反应时又产生了气体。这些气体在焊缝结晶过程 中来不及逸出，就产生了气孔。t i g 焊时药芯焊丝是在氩气保护下施焊的，保护气体 的成分见表2 - 5 。它能较好地隔离空气，形成气孔所需要的“外界气源”被较好的控 制。但如果药芯成分不当，产生较多气体，一方面导致的飞溅会阻塞气嘴，使氩气保 护气体的层流受到破坏，空气卷入：另一方面药芯成分分解反应产生的气体也可能产 生气孔。 表2 - 5t i g 焊用保护气的成分 a rn 20 2h 2h 2 0 其它 p p 幔p p mp p mp p 砸p p m 2 9 9 9 9 5 0 ：辑 ；，4 砷由茸 直 - 一r ，0 盘扭试样 _ j 1 3 - - 1 3 图3 - 1试板尺寸及熔敷金属拉伸试样和冲击试样的截取位置 第三章熔敷金属及焊接接头成分、组织和力学性能研究 表3 - 1 力学性能试验试板所用焊接规范 焊接电流 电压 层间温度焊接速度电流极性保护气流量 ( a )( v )( ) ( m m m i n )( l m i n ) 1 2 0 2 0 01 62 4 2 06 0 7 0 直流正接 1 5 试板材料为1 6 m n 钢。试板制备、熔敷金属的拉伸试样和冲击试样的截取均按图 3 - 1 进行。试板与垫板组装时，预作反变形约5 0 。预热温度为2 0 0 。在平焊位置施 焊，第一层焊4 道，第二层以上每层焊5 6 道，共焊1 0 层，焊接工艺参数见表3 1 。每道焊后清渣，除去飞溅，观察表面成型及缺陷情况。每层焊后用表面温度计控 制层间温度。焊后进行7 6 0 k 1 0 c x 2 h 回火处理。然后刨掉垫板进行x 射线探伤，再 按图3 _ l 所示制取熔敷金属的拉伸试样和冲击试样分别进行拉伸试验和冲击试验。显 微组织分析试样从试板的指定部位截取，断口的扫描电镜分析试样采用拉伸和冲击试 样制作。 3 1 2 试验结果 所研制的t 9 1 钢药芯焊丝熔敷金属的力学性能试验结果见表3 - 2 ，其各项力学性 能数据均在技术指标规定的范围内。t g l 钢药芯焊丝熔敷金属高温持久强度试验阶段 结果见表3 3 。从试验结果可以看出，研制的药芯焊丝熔敷金属的高温力学性能要比 同类产品的国外生产的实芯焊丝性能优良。这主要反映在两种焊丝抗蠕变能力的不 同。蠕变是指金属在一定温度和应力作用下，随着时间的增加慢慢地发生塑性变形的 现象。试验结果显示，药芯焊丝所焊试样经过伸长2 3 。4 ，断面收缩8 2 7 ，历时 1 6 9 2 小时后断裂；而实芯焊丝所焊试样则是经过伸长4 3 2 ，断面收缩9 1 4 ，仅历 时4 1 小时后断裂。承载1 0 0 m p a 和8 0 m p a 的实芯焊丝熔敷金属试样则在分别历时 1 3 3 4 小时和3 1