HR3C钢采用Thermanit 617和YT HR3C焊丝焊接接头高温短时强度性能试验.doc

HR3C钢采用Thermanit 617和YT-HR3C焊丝焊接接头高温短时强度性能试验林志华 孔雁 徐强 吴明生 上海电力建设有限责任公司 摘 要：本文通过对采用配套焊材YT-HR3C和镍基合金Thermanit 617焊材焊接HR3C钢的焊接接头，在四个不同温度条件下的高温短时强度性能对比试验，试验结果表明镍基合金焊材Thermanit 617焊接HR3C钢的焊接接头高温短时强度性能高于YT-HR3C焊材的焊接接头。关 键 词：HR3C钢 镍基合金焊材 高温短时强度0 前言超超临界（USC）火力发电机组是有效利用能源的一项新技术。目前，USC锅炉受热面中的过热器、再热器处于环境恶劣的条件之下，所用钢材在满足持久强度、蠕变强度要求的同时，还要满足管子外壁抗烟气腐蚀及抗飞灰冲蚀性能、管子内壁抗蒸汽氧化性能，所以采用具有抗烟气腐蚀、抗高温腐蚀和高温蒸汽氧化能力强的高铬镍奥氏体钢HR3C。1问题由来现在与HR3C钢相配套的YT-HR3C焊材由日本日铁住金溶接工业株式会社生产，不但价格昂贵而且市场无货，给工程安装焊接造成了很大的影响。为此，选用合理的镍基合金焊材来替代YT-HR3C焊材，在进行了焊接工艺评定的基础上，还针对不同工况温度条件下做了焊接接头高温短时强度试验，为充实焊接工艺评定项目提供数据。HR3C钢采用由德国伯乐蒂森公司生产的镍基合金焊材Thermanit 617进行的焊接工艺评定，焊接接头的常温机械性能的各项试验数据均满足标准要求，但是对HR3C钢采用镍基焊材Thermanit 617焊接接头的高温短时强度性能仍存在疑虑。因此，我们通过对HR3C钢用配套的焊材YT-HR3C和HR3C钢用镍基焊材Thermanit 617焊接的接头做高温短时强度性能试验并将两者试验数据进行对比，如果后者的数值等同或超过前者，那么为工程上选用镍基合金焊丝焊接HR3C钢提供了一定的依据。1000MW超超临界锅炉部件，采用HR3C钢的焊口数见表1。表1 HR3C钢管的焊口组件名称材质规格数量（只）焊丝用量约（Kg）过热器HR3C48.2610.161672236再热器HR3C60.324.662112160注：以上表内为外高桥电厂三期21000MW工程统计数据。2试验条件和试验方法2.1试验用材料试验采用HR3C钢管规格为48.2610.16，V型坡口对接；焊接材料为YT-HR3C和Thermanit 617，直径2.4；焊接位置为45斜焊（6G）,两种焊材各焊接四只焊口；焊接方法为手工钨极氩弧焊（GTAW）；焊接设备为逆变焊机（ZX7-400ST）；保护气体高纯氩；钨极型号为Wc-20规格2.5。HR3C钢管及YT-HR3C、 Thermanit 617焊丝的化学成分见表2，HR3C钢和Thermanit 617焊丝的常温机械性能见表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试验用HR3C钢管及YT-HR3C、 Thermanit 617焊丝的化学成分（%）表3 HR3C钢管和Thermanit 617焊丝的常温机械性能材料牌号Rp0.2(MPa)Rm(MPa)A（%）HR3C（SPEC）30067030Thermanit 617（EN-1597-1 焊态）45070030注：YT-HR3C焊丝质保书内未提供常温机械性能数据。2.2焊接工艺焊接HR3C钢的主要问题是容易出现焊接高温裂纹。为了防止焊缝发生高温裂纹采用如下焊接工艺：（1）采用全钨极氩弧焊，封底焊管内充氩保护。（2）严格控制焊接热输入采用多层多道焊。（3）层间温度控制在不大于100。焊口的装配尺寸、焊层焊道分布见图1，焊后焊口外观见图2。 图1 焊口的装配尺寸和焊层焊道 图2 试件YT-HR3C（左）617（右）为确保两种焊材所焊接的接头高温短时强度试验数据的可靠性，两种焊材焊接时尽可能采用相同的工艺参数（包括焊接电流、焊层厚度、焊接速度、冷却速度等），焊接工艺参数见表4、5。表4 Thermanit 617焊丝焊接HR3C钢的工艺参数焊层 焊道电流极性焊丝直径(mm)层间温度（）电流 （A）电压 （V）速度（mm/min）氩气流量L/min焊道厚度（mm）点焊DC-2.43010010-11.537正8/背931/1DC-2.4709210-1135正8/背932/2DC-2.47710010-11.565723/3DC-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焊丝焊接HR3C钢的工艺参数焊层 焊道电流极性焊丝直径(mm)层间温度（）电流 （A）电压 （V）速度（mm/min）氩气流量L/min焊道厚度（mm）点焊DC-2.43010010-11.537正8/背931/1DC-2.4789210-1137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试验内容及方法试验内容：HR3C钢用配套的焊材YT-HR3C和HR3C钢用镍基合金焊材Thermanit 617焊接的接头分别做焊接接头布氏硬度、微观金相组织和高温短时强度性能试验。高温短时强度性能试验温度为550、600、625、650四个温度段。试验方法：试样按DL/T868-2004焊接工艺评定规程取样，高温拉伸试件按GB/T4338 -2006金属材料 高温拉伸试验方法加工5(GR2)试样。硬度试验按GB/T 231-2009金属布氏硬度试验，在69I型布洛维硬度试验机上进行试验。金相组织试验按GB/T13298-1991金属显微组织检验方法，在Axiovert 200MAT金相显微镜上进行。高温短时拉伸试验按GB/T4338-2006金属材料 高温拉伸试验方法，在AMSLER液压式万能材料试验机上进行试验。3试验结果对两组焊接接头布氏硬度、微观金相组织和焊接接头在不同温度下的高温短时强度试验数据进行对比。3.1焊接材料为Thermanit617的焊接接头硬度结果见表6，硬度试样和宏观金相照片见图3、图4（02p、02y）。3.2焊接材料为YT-HR3C的焊接接头硬度结果见表7，硬度试样和宏观金相照片见图3、图4（03p、03y）。表6 HR3C小口径管对接焊，焊接材料为Thermanit617试样编号试验温度()硬度符号左侧母材左侧热影响区焊缝右侧热影响区右侧母材02P26HBW2.5/187.519319720919520922220720120519719721318919320502Y26HBW2.5/187.5193197209213222232193205222201222227197197201注： P表示平焊位置，Y表示平焊位置。表7 HR3C小口径管对接焊，焊接材料为YT-HR3C试样编号试验温度()硬度符号左侧母材左侧热影响区焊缝右侧热影响区右侧母材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硬度图3 硬度试样照片02p金相02y金相03y金相03p金相图4金相试样照片3.3焊接材料为Thermanit617和 YT-HR3C焊接HR3C钢的焊接接头的金相组织见表8。表8 HR3C小口径管对接焊，焊接材料为Thermanit617和 YT-HR3C金相组织项目试验部位显微组织放大倍数侵蚀液备注Thermanit617焊材母材奥氏体50铬酸图5-a熔合线/50铬酸焊缝区奥氏体枝晶50铬酸图5-bYT-HR3C焊材母材奥氏体50铬酸图6-a熔合线/50铬酸焊缝区奥氏体枝晶50铬酸图6-b3.4 Thermanit617焊接HR3C钢焊缝的微观金相图见图5；YT-HR3C焊接HR3C钢焊缝的微观金相图见图6。图5-a图5-b图6-a图6-b100m100m100m100m3.5焊接材料为Thermanit617焊接接头高温短时强度试验结果见表9，试件断口见图7。表9焊接材料为Thermanit617焊接接头高温短时强度试验数据试样编号试验温度()RP0.2(MPa)Rm(MPa)A()备注02P155025554538.0断母材02P260025553041.2断母材02P362523051527.0断母材02P465023050532.0断母材02Y155024556540.0断母材02Y2600240525断标外断母材02Y362522552040.0断母材02Y465023551038.0断母材注：P表示平焊位置Y表示仰焊位置，RP0.2和A数据仅供参考。图7焊接材料为Thermanit617焊接接头高温短时强度试验试样02p1(550)02p2(600)02p3(625)02p4(650)02y1(550)02y2(600)02y3(625)02y4(650)3.6焊接材料为YT-HR3C焊接接头高温短时强度试验结果见表10，试件断口见图8。表10焊接材料为YT-HR3C焊接接头高温短时强度试验数据试样编号试验温度()RP0.2(MPa)Rm(MPa)A()备注03P155023551034.0断焊缝03P260022049529.0断焊缝03P362523045519.0断焊缝03P465023047026.0断焊缝03Y155022052034.0断焊缝03Y260023047025.0断焊缝03Y362521547028.0断焊缝03Y465022546024.0断焊缝注：P表示平焊位置Y表示仰焊位置，RP0.2和A数据仅供参考。03p1(550)03p2(600)03p3(625)03p4(650)03y1(550)03y2(600)03y3(625)03y4(650)图8焊接材料为YT-HR3C焊接接头高温短时强度试验试样3.7试验结果3.7.1采用镍基合金Thermanit 617和YT-HR3C焊材焊接HR3C钢焊后焊缝的硬度平均值分别为HB205.5和HB206.5基本一致。3.7.2二种焊丝焊后的焊缝金相组织均为奥氏体枝晶。3.7.3四个温度段高温短时强度的平均值见表11。表11高温短时强度的平均值温度（）高温短时强度的平均值（MPa）Thermanit 617YT-HR3C550555515600527.5482.5625517.5462.5650507.5465以上数据显示采用Thermanit 617焊丝焊后的四个温度段高温短时强度数据的平均值均高于YT-HR3C焊丝高温短时强度值，前者的试件拉伸后均断在母材上，后者则断在焊缝上。4结论4.1 HR3C钢属高铬镍新型奥氏体不锈钢，其焊接工艺有别于常规的奥氏体不锈钢，必须优先采用钨极氩弧焊（GTAW）焊接方法，焊接时需严格控制焊接热输入量，宜采用多层多道薄层焊，每道焊缝厚度2mm，层间温度控制在不大于100。4.2 采用Thermanit 617镍基合金和YT-HR3C焊丝焊接HR3C钢焊后焊缝的硬度平均值基本相同，焊缝金相组织均为奥氏体枝晶，而Thermanit 617焊丝的焊接接头的550、600、625和650的四个温度段的高温短时强度值均高于YT-HR3C焊丝的焊接接头高温短时强度值。4.3 Therman