T91与12Cr1MoV异种钢焊接工艺探讨.doc

T91与12Cr1MoV异种钢焊接工艺探讨 现代工业中，异种钢结构得到越来越广泛的应用。火力发电机组随着各个部位工作温度的不同，相应地使用了不同化学成分和组织结构的钢材，因此必然会遇到异种钢的焊接问题。 我厂前屏过热器热器管采用美国的新型耐热钢 SA213T9l，与珠光体耐热钢12CrlMoV进行焊接，焊接难度大，易出现缺陷。而关于与T91相匹配的异种钢接头，目前国内应用较少。通过焊接工艺评定试验，最后确定用低强配比的焊材进行焊接。1 异种钢焊接1.1 异种钢焊接的含义 异种钢焊接接头基本上可以分为两大类：一类为金属组织相同而化学成分不同，如低碳钢与低合金珠光体耐热钢的焊接；另一类为金属组织和化学成分都不相同，而且物理性能差别较大，如T9l与12Cr1MoV的焊接。综合来看，后者焊接时出现的问题较多。1.2 异种钢焊接接头的特征及主要存在问题1.2.1 化学成分的不均匀性 异种钢焊接时，由于焊缝两侧的金属和焊缝的合金成分有明显的差别，随着焊接工艺的不同，焊接熔池的行为就不一样，因而，母材的熔化量也将随之不同，最终造成整个焊接接头化学成分极不均匀，因而经常会带来一些严重问题，如奥氏体钢与非奥氏体钢之间的焊接容易在熔合区生成马氏体，在焊接中或使用中可能形成裂纹，使焊接接头破坏。1.2.2 金相组织的不均匀性 焊接接头的化学成分不均匀，经过焊接热循环作用之后，焊接接头各区域也将出现不同的金相组织，往往在局部出现相当复杂的组织结构。由干母材和填充材料的化学成分不均匀，必然造成金相组织的不均匀，若能在工艺上适当调整，可以使 焊接接头的组织不均匀程度得到一定的改善。1.2.3 性能的不均匀性 焊接接头各区域化学成分和金相组织的差异，使焊接接头力学性能不同，沿接头各区域的室温强度、硬度、塑性、韧性都有很大的差别，高温下的蠕变极限和持久强度也会因成分和组织的不同，相差极为悬殊。 对焊接接头影响最大的物理性能主要有膨胀系数和导热系数，它们的差异将在很大程度上决定着焊接接头在高温下使用的安全性。1.2.4 应力场分布的不均匀性 异种钢焊接接头中焊接残余应力分布不均匀，这是因为接头各区域具有不同的塑性所决定的。另外，材料导热性的差异，将引起焊接热循环温度场的变化，也是残余应力分布不均匀的因素之一。 由于异种钢焊接接头各区域的线膨胀系数不同，熔合线必然存在着热应力，物理性能相差越大，这种热应力也就越大，有可能成为接头破坏的主耍原因之一。2 T91与12Cr1MoV异种钢焊接工艺分析2.1 T91钢是一种改进的9Cr1Mo钢，在美国材料试验学会（ASTM）和美国机械工程师学会（ASME）标准中，T91代表锅炉用小管子，属马氏体钢，具有良好的冲击性能和高温强度，目前，常用于火电厂锅炉过热器和再热器管等。 12CrlMoV钢是一种常见的珠光体耐热钢，应用广泛，常用来制造壁温580的高压、超高压锅炉过热器管、联箱和主蒸汽管道等，具有较好的焊接性能。 对T91与12CrlMoV异种钢的焊接要依据马氏体钢与珠光体钢的焊接原则进行考虑。2.2 焊接的工艺原则 异种钢焊缝与母材的化学成分、金相组织、物理性能及力学性能都有较大的差别，因此异种钢焊接要比同种钢复杂得多。焊接时必须采取一定的特殊工艺措施才能获得满意的焊接接头。考虑异种钢焊接工艺时必须根据这些特定的条件来确定焊接方法、焊接材料、工艺参数以及其他的措施。 2.2.1 焊接方法的选择 常用的各种电弧焊接方法都可以进行焊接，但在火电建设工程中，管道的焊接常用手工钨极氩弧焊打底、焊条电弧焊盖面的焊接工艺，直径小于60mm的薄壁管也可考虑全部采用手工钨极氩弧焊工艺。 2.2.2 焊接材料的选择 正确地选择焊接材料是异种钢焊接时的关键，接头质量和性能与焊接材料关系十分密切。选择异种钢焊接材料的基本原则可归纳如下： A. 在焊接接头不产生裂纹等缺陷的前提下，若不可能兼顾焊缝金属的强度和塑性，则应选用塑性较好的焊接材料。 B. 异种钢焊接材料的焊缝金属性能只需符合两种母材中的一种即认为满足技术要求。 C. 焊接材料应具有良好的工艺性能，焊缝成形美观。 D. 焊接材料应经济、易得。 但选择焊接材料应综合考虑上述各个方面，而不能简单依据某种原则。 异种钢焊接时有4种焊接材料可供选择：与异种钢焊接接头合金质量分数较低的一侧母材金属成分相同的材料低匹配）；与异种钢焊接接头合金质量分数较高的一侧母材金属成分相同的材料（高匹配）；介于异种钢焊接接头两侧母材金属中间成分的材料（中匹配）；完全不同于异种钢焊接接头两侧母材金属成分的材料。 对于珠光体钢和马氏体钢的焊接，焊接材料的选用还没有一致的看法，目前国内虽然仍倾向于采用低匹配材料。所以我电厂工程中综合考虑采用的为低匹配材料（TIG-R31焊丝）。2.2.3 坡口角度异种钢焊接时确定坡口角度的主要依据除母材厚度外，还有母材在焊缝金属中的熔合比。一般说来，坡口角度越大，熔合比越小，坡口角度越小，熔合比越大。异种钢多层焊时，确定坡口角度要考虑多种因素的综合影响，但原则上是希望熔合比越小越好，因为这样可降低母材对焊缝金属合金成分的稀释作用，使焊缝金属的化学成分和性能比较稳定，波动较小。考虑焊接工件为承压小管件，我电厂采用了V型坡口，坡口角度定为350。 2.2.4 焊接工艺参数 由于在火电建设工程中管道焊接常用WsD或Ws的方法进行焊接，而和s可能获得的熔合比范围为2O30和10-100。D的熔合比相对来说比较小，但Ws的熔合比范围较大，因而，控制好焊接工艺参数对降低熔合比有直接的影响，WsD为手工钨极氩弧焊打底，焊条电弧焊盖面；Ws为手工钨极氩弧焊；D为焊条电弧焊。） 焊接热输入越大，母材熔入焊缝越多，而焊接热输入又取决于焊接电流、电弧电压和焊接速度等工艺参数，因而在焊接时应在保征焊缝组织正常、熔合区硬化程度正常的前提下，采用小的参数以减少热输入，这样才能降低熔合比。 2.2.5 预热及焊后热处理 由于珠光体钢和马氏休钢都是淬硬钢，为防止冷裂，焊前一般都要进行预热。 珠光体钢与马氏体钢焊接，预热温度应按马氏体钢选择，热处理工艺同样应按马氏体钢同类焊接接头的要求进行。如果有C扩散层发展的倾向，可按珠光体钢一侧同类焊接接头所要求的焊后热处理工艺进行。 由于异种钢焊接的预热及焊后热处理对接头的性能影响极大，故进行预热及焊后热处理须慎重考虑。 珠光体与马氏体异种钢焊接中，预热温度和焊后热处理应在保证接头质量的前提下，采用较小的工艺参数比较合适。在焊接方法上，当用钨极氩弧焊对管子进行打底焊时，通常允许采用较低的预热温度，因为该焊接方法焊工可在焊前适当运用氩弧以及通过调节焊接速度进行控制，达到一定的预热效果、降低预热温度能较好地控制打底焊的成形和减少过大的熔深。3 异种钢焊接生产工艺 我厂建设工程中焊接生产工艺。 焊接方法：手工钨极氩弧焊；接头形式对接；母材为SA213-T91钢与12Cr1MoV钢，42mm5.5 mm，焊接材料为焊丝TIG-R31、2.5 mm。 工艺参数：焊接速度为4248mmmin；焊接电流为96110 A；电弧电压为 1013 V；预热温度为250300；道间温度为25O300。 保护气体：氩气，流量8一10 Lmin。 焊后进行740760高温回火，保温45 min。 我厂在实际焊接过程中，虽然也发现了一些缺陷，但经分析均是由于没有严格按照焊接工艺进行操作而造成的，后严格按原正式工艺进行了返修，无损探伤结果合格，确定了这种焊接工艺的可行性和可靠性，为扩建工程的顺利完工提供了保证。4 结语 通过以上分析可知，T91与12CrlMoV异种钢焊接性较差，必须严格执行工艺措施，才能