新型耐热钢焊接及新技术

1、新型耐热钢焊接接头可靠性及焊接新技术伯乐蒂森（上海）上海贸易有限公司新型耐热钢的常见焊接质量问题焊接缺陷冷裂纹-焊缝微裂纹，低匹配裂纹，低硫钢裂纹热裂纹-火口裂纹，焊道中心裂纹(面状缺陷)再热裂纹-T/P22，T/P23，T/P24，G102热应力裂纹-根部裂纹，焊缝中心裂纹，返修焊裂纹（补焊裂纹）气孔-氩弧打底焊气孔，焊缝气孔焊缝冲击韧度比较低，而且不稳定ASME，EN冲击标准不统一，焊缝易脆化-焊材成分、应变脆化，回火脆化，相变脆化、焊接工艺（预热、层温、线能量、热处理、操作技术 ）3 异种钢焊接易发生裂纹及早期失效焊材匹配、碳迁移、蠕变强度、蠕变裂纹4 焊接接头蠕变断裂强度大大低于母材比

2、母材低20-40%，40-60%5 高温长期运行寿命降低，易发生早期失效蠕变强度，附加应力，碳迁移，热处理，AC1温度，氧化疲劳，、型蠕变裂纹， 型疲劳裂纹 发生早期失效蠕变裂纹的实例美国美国P91P91集葙环缝运行早期失效调查结果：集葙环缝运行早期失效调查结果：一 共调查14条集葙环焊缝：未发生早期失效的环焊缝有9条，占65。发生集葙环焊缝型开裂早期失效的有5条，占35。二 发生环焊缝型开裂早期失效集葙的分类：过热器集葙有2条环焊缝失效。再热器集葙有3条环焊缝失效。三 发生集葙早期失效的制造公司：B&W公司有3条环焊缝失效。FW公司有2条环焊缝失效。高温再热管焊接区高温再热管焊接区蠕

3、变损伤案例蠕变损伤案例有有100多个管座角焊缝在多个管座角焊缝在P91集箱焊接热影响区发生断裂集箱焊接热影响区发生断裂运行时间6万小时P91集箱与集箱与P91端盖环焊缝焊接热影响区发生端盖环焊缝焊接热影响区发生型开裂型开裂运行万小时冷启动-72次热启动-469次T23集箱与集箱与T23管座角焊缝搭接处易发生微裂纹管座角焊缝搭接处易发生微裂纹P91弯头因热处理不当发生开裂弯头因热处理不当发生开裂P91集箱上的集箱上的T23管座运行后发生焊接热影响区脆断管座运行后发生焊接热影响区脆断异种钢焊接接头早期失效实例异种钢焊接接头早期失效实例异种钢焊接接头早期失效实例异种钢焊接接头早期失效实例P91P22

4、异种钢低匹配焊接接头的早期失效裂纹异种钢低匹配焊接接头的早期失效裂纹 运行运行20002000小时后外表面开裂小时后外表面开裂 1 1接管裂纹长接管裂纹长38mm38mm， 4 4# #接管裂纹分别长接管裂纹分别长76mm76mm及及114mm114mm异种钢焊接接头运行早期失效实例异种钢焊接接头运行早期失效实例 内壁发现焊接内壁发现焊接 热热 影响区裂纹影响区裂纹P91+P22异种钢低匹配焊接接头的异种钢低匹配焊接接头的 焊缝根部裂纹焊缝根部裂纹异种钢焊接接头运行早期失效实例异种钢焊接接头运行早期失效实例集葙上异种耐热钢大管座焊口运行裂纹的返修集葙上异种耐热钢大管座焊口运行裂纹的返修异种钢环

5、焊缝运行早期失效实例异种钢环焊缝运行早期失效实例焊接接头早期失效的特征、原因及影响焊接接头早期失效的特征、原因及影响焊缝和焊接接头中出现细晶粒软化区（低硬度区）发生、型蠕变（疲劳）裂纹高温、低应力条件下蠕变断裂强度和塑性显著降低焊接接头蠕变断裂强度比母材降低20-40，40-60电厂高温运行条件下易发生焊口开裂，即早期失效型蠕变裂纹：发生在焊缝中的蠕变裂纹型蠕变裂纹：发生在焊缝中的蠕变裂纹型蠕变裂纹：发生在焊缝中的蠕变裂纹向焊接热影响区扩展型蠕变裂纹：发生在焊缝中的蠕变裂纹向焊接热影响区扩展型蠕变裂纹：发生在粗晶区的蠕变裂纹型蠕变裂纹：发生在粗晶区的蠕变裂纹(再热裂纹再热裂纹)型蠕变裂纹：发生

6、在细晶粒软化区的蠕变裂纹型蠕变裂纹：发生在细晶粒软化区的蠕变裂纹型蠕变裂纹：发生在熔合区的蠕变裂纹型蠕变裂纹：发生在熔合区的蠕变裂纹型蠕变型蠕变-疲劳裂纹：发生在母材应力集中处的疲劳裂纹疲劳裂纹：发生在母材应力集中处的疲劳裂纹焊接接头蠕变裂纹的分类焊接接头蠕变裂纹的分类 熔合区裂纹熔合区裂纹疲劳裂纹疲劳裂纹美国焊接钢管纵焊缝上发生的蠕变裂纹美国焊接钢管纵焊缝上发生的蠕变裂纹焊缝中细晶粒软化区焊缝中细晶粒软化区(图中黑线区图中黑线区) -型蠕变裂纹型蠕变裂纹发生在焊缝中的发生在焊缝中的型蠕变裂纹型蠕变裂纹和熔合区中和熔合区中型蠕变裂纹型蠕变裂纹发生在焊接热影响区的型蠕变裂纹发生在融合区的型蠕变裂

7、纹先在晶界或夹杂物产生孔穴，然后连接成裂纹先在晶界或夹杂物产生孔穴，然后连接成裂纹焊接接头蠕变断裂强度比母材降低焊接接头蠕变断裂强度比母材降低40-60%蠕变蠕变-疲劳交互作用使疲劳交互作用使P91接头寿命降低到接头寿命降低到P22水平水平蠕变蠕变-疲劳交互作用降低寿命疲劳交互作用降低寿命75%以上以上单純熱模拟不能正确反映焊接接头真实的蠕变断裂强度焊缝硬度大大高于母材，AC1-AC3加热区的硬度最低Hardness profiles of creep samples; welded joint (P911 / Thermanit MTS 911)0102030405060708090Leng

8、th of specimen mm165175185195205215225235245255265Hardness HV 10Base metalWeld metalHAZHAZfusion linefusion lineSMAW-vertical70 MPa, 650C, 4295 hfracture face VALLOUREC & MANNESMANN TUBES850-950温度区间加热后蠕变断裂强度（断裂时间）显著降低蠕变集中-蠕变脆化-蠕变寿命显著降低P92焊接接头蠕变断裂强度大大低于母材P92钢中增加W,Co,B含量之后，焊接接头的蠕变断裂强度显著提高P92钢中添加硼元

9、素可以显著提高细晶粒软化区的蠕变断裂强度Fracture location of crossweld sample; P911 / SMAW Thermanit MTS 911; 650C, 70 MPa, 4295 hrsBasemetalHAZWeldmetalHAZ VALLOUREC & MANNESMANN TUBES焊接材料和焊接工艺优化马氏体耐热钢焊接冷裂纹敏感性马氏体耐热钢焊接冷裂纹敏感性马氏体耐热钢焊接的突出特点是焊缝和热影响区会发 生马氏体相变马氏体相变会改变氢的分布马氏体相变会发生体积膨胀，降低焊接应力马氏体相变会发生组织细化，有利于提高焊缝及焊接热影响区的冲击韧

10、度焊接过程的自回火作用有利于恢复马氏体组织韧性所以，马氏体钢焊接冷裂纹顷向比较低，可以显著降低焊接预热温度低匹配焊条焊接低匹配焊条焊接F11或或T91钢产生的焊接热影响区冷裂纹钢产生的焊接热影响区冷裂纹R407焊条打底焊焊条打底焊HAZ裂纹裂纹R407焊条焊接管座焊条焊接管座HAZ裂纹裂纹R407焊条焊接角焊缝焊条焊接角焊缝HAZ裂纹裂纹R317焊条焊接管座焊条焊接管座HAZ裂纹裂纹HR817F11P22 图 6 高匹配焊缝对焊接接头氢分布的影响MF11/F12R817图 5 高匹配焊缝不产生高氢带图3 低匹配焊缝产生高氢带相变氢致裂纹原理相变氢致裂纹原理HHHHHHHHF11/F12R407

11、HAZR407HAZP22F11H高氢带图4 低匹配焊缝对焊接接头氢分布的影响相变低应力相变低应力(压应力压应力)焊接原理焊接原理采用高强匹配焊接材料可以降低焊接应力、提高疲劳强度，降采用高强匹配焊接材料可以降低焊接应力、提高疲劳强度，降低焊接冷裂纹敏感性低焊接冷裂纹敏感性硫含量对氢的影响硫含量对氢的影响回火参数回火参数(P)对高铬马氏体耐热钢硬度的影响对高铬马氏体耐热钢硬度的影响如何提高焊缝冲击韧度如何提高焊缝冲击韧度优化焊接材料化学成分-C,Mn,Ni,Nb,N焊芯过渡的高碱度焊条高碱度焊剂降低焊接输入热量降低焊接预热温度降低层间温度多层多道焊薄层焊,宽摆焊提高焊后热处理温度和保温时间焊缝

12、必须完全转变马氏体组织之后才能进行热处理H_011123Heat control during welding and PWHT- condition for P 911 and P 92Time02004006008001000Temperature 250 300760Heating rate80 120/hCooling rate100 150/h 400cooling in still air+10 - 10 slowcooling rate20 100preheatingweldingand soakingnecessary cooling down after weldingor

13、soaking2 - 4 hH_011123Influence of the flux basicity to the C- burn- outwire3,73,12,61,81,3Basicity acc. Boniszewski00,020,040,060,080,10,12C- content %Thermanit MTS 616Marathon 543Influence of the PWHT-condition to the toughness of the all weld metal for P92 VALLOUREC & MANNESMANN TUBESSMAW: Th

14、ermanit MTS 616; : 4,0 mm 1234567Holding time h010203040506070CVN JPWHT: 760C/1400FPWHT: 750C/1382FPWHT: 740C/1364F1234567Holding time h010203040506070CVN J 4,0 mm; Pos. 3G up 4,0 mm; Pos. 3G up Influence of bead formation on impact properties at pwht 760weavedbeadsstringerbeadsPWHT- equipment vs. i

15、mpact energy; PWHT at 75073073574074575075576076577014,014,214,414,614,815,015,215,415,615,816,0Zeit in StundenTemperatur in CKanal 1Kanal 2Kanal 3Kanal 4Kanal 5Kanal 6Kanal 7Kanal 8Kanal 9Kanal 10Kanal 11Kanal 12Kanal 13Kanal 14Kanal 15Kanal 16Kanal 17Kanal 18Kanal 19Kanal 20Kanal 21Kanal 22Kanal 2

16、3Kanal 24Kanal 25Kanal 27Temperature Time hPWHT- issue/ actual thermal condition of heat treatment eqipment furnaceSMAW: Thermanit MTS 616; : 4,0 mm 1234567Holding time h010203040506070CVN JPWHT: 760CPWHT: 750CPWHT: 740C26个热电偶温差20 Possible locations for temp. measuringthermocouple回火参数及t8/5对冲击韧性的影响01

17、02030405060708090100P5.9513.614.615.716.717.718.719.720.220.521.121.921.422.122.422.8回火参数(P=T(lgt+20)x10-3)冲击值(J)t8/5=13st8/5=20st8/5=60s9Cr-1Mo钢回火参数对冲击韧性的影响钢回火参数对冲击韧性的影响采用比较低的焊接预热温度即使不热处理冲击值也比较高AC1AC3MSMF4003503002501231 45焊道间的自回火作用时效对焊缝冲击韧度的影响时效对焊缝冲击韧度的影响时效后焊缝冲击韧度大大低于母材时效后焊缝冲击韧度大大低于母材钢材PWHT冲击 (J)平

18、均系数T91供货态母材104.108.1021051.0760 x6hTIG:44.30.40380.36760 x6hTIG+MIG48.44.50470.45P91供货态母材226.228.232291.0760 x6hSMAW-5G96.116.1201110.48760 x6hSMAW-2G128.138.1461370.60E911供货态母材178.170.1651711.0760 x6hSAW78.52.103780.46P92 供货态母材161.137.1521501.0760 x6hSAW58.28.26370.25E911,P122母材时效后冲击韧度显著降低母材时效后冲击韧度

19、显著降低钢材钢材温度温度供货状态供货状态热处理后热处理后10103 3h h时效时效3 310103 3h h时效时效系数系数E911E911600600148.150.154148.150.154平均平均151151156.154.154156.154.154平均平均15515558.60.6258.60.62平均平均606042.38.4442.38.44平均平均41410.270.27钢材钢材温度温度供货状态供货状态PWHTPWHT500h500h时效时效5000h5000h时效时效系数系数T122T122650650158.152.162158.152.162平均平均157157- -

20、90.100.10890.100.108平均平均999944.42.4444.42.44平均平均43430.270.27Aging treatment at 600; SMAW all weld metal for P92 and E911(x103)0510152025303540Holding time h 01020304050607080CVN J at + 20CSMAW: Thermanit MTS 616 / Thermanit MTS 911; : 4,0 mm1PWHT: 750C/2 hPWHT: 750C/4 h38600600时效对时效对P92P92及及E911E911

21、钢钢SMAWSMAW全焊缝金属冲击韧性的影响全焊缝金属冲击韧性的影响(x103)0510152025303540保温时间保温时间 h 01020304050607080冲击冲击CVN J + 20SMAW: Thermanit MTS 616 / Thermanit MTS 911; 4,0 mm1PWHT: 750/2 hPWHT: 750/4 h38铁素体异种钢焊接铁素体异种钢焊接蒂森公司异种钢焊接经验铁素体钢与奥氏体钢焊接大口径管：先在铁素体钢堆焊镍基过渡层热处理用镍基焊条焊接不预热，不热处理小口径管：直接用镍基焊条焊接热处理铁素体钢与铁素体钢的异种钢焊接焊接碳迁移与焊接接头早期失效无关

22、可用高、中、低匹配焊材焊接焊后热处理温度应符合两种母材要求我国铁素体异种耐热钢焊接经验过去经验选焊材：低、中匹配焊后热处理应符合两种母材要求碳迁移是早期失效的主要原因采用钢102作为T22，12Cr1MoV与T91，T92，T122异种钢焊接接头的过渡段新经验采用高匹配焊材可以实现不预热焊接高匹配焊接接头的焊接热影响区冲击韧度好焊态没有碳迁移，热处理之后出现了天球仪碳迁移，高温运行1万小时之后脱碳层逐渐消失，所以，碳迁移不降低焊接接头10万小时蠕变断裂强度异种铁素体耐热钢焊接接头运行早期失效的主要特征是、型蠕变开裂，而不是脱碳层采用T23作为T22，12Cr1MoV与T91，T92，T122异

23、种钢焊接接头的过渡段异种钢焊接接头焊态没有碳异种钢焊接接头焊态没有碳迁移迁移热处理之后产生脱碳层和增热处理之后产生脱碳层和增碳层碳层用低匹配焊材不预热焊接，用低匹配焊材不预热焊接，易产生易产生HAZ裂纹裂纹用高匹配焊材不预热焊接，用高匹配焊材不预热焊接，不产生焊接裂纹不产生焊接裂纹高温长期运行后脱碳层消失，运行失效试样中发现细晶粒组织高温长期运行后脱碳层消失，运行失效试样中发现细晶粒组织123小口径管异种钢接头持久爆破小口径管异种钢接头持久爆破F11+12Cr1MoV失效分析失效分析F11+12Cr1MoV失效分析失效分析发现异种钢接头的发现异种钢接头的型开裂（熔合区型开裂（熔合区界面开裂界面

24、开裂，氧化疲劳裂纹氧化疲劳裂纹）提高焊接接头蠕变断裂强度新技术提高焊接接头蠕变断裂强度新技术F11+P22异种钢焊接接头异种钢焊接接头,580,十万小时蠕变断裂强度十万小时蠕变断裂强度R407 (化学成分低匹配，蠕变断裂强度低匹配化学成分低匹配，蠕变断裂强度低匹配) R507 (化学成分中匹配，蠕变断裂强度低匹配化学成分中匹配，蠕变断裂强度低匹配) R817(化学成分高匹配，蠕变断裂强度高匹配化学成分高匹配，蠕变断裂强度高匹配)1.2144MPa53.43MPaP22母材母材R8171.2944MPa56.96MPaP22母材母材R5071.2944MPa56.64MPaP22母材母材R407

25、蠕强系数蠕强系数P22,580平均蠕强平均蠕强接头接头580蠕强蠕强断裂部位断裂部位焊条焊条焊接接头蠕变断裂强度减弱系数焊接接头蠕变断裂强度减弱系数钢材牌号温度母材105蠕强接头105蠕强蠕强系数来源国外P916000.6-0.4P1255064270.4212Cr1MoV580104350.37F11+P225804453.431.21G102600921181.14ctT9162545.2654.60.82hgT91600-0.65sgP915501411310.90dgP915751001240.80dgP92600131970.74P92625101970.96sgT12265064.

26、137.40.58hg40100100010000100000时间时间( (小时小时) )20200 设计许用应力设计许用应力 - 100P91异种耐热钢焊接接头脱碳层 对蠕变断裂强度影响示意图应力应力 Mpa608098MPa57MPa45MPa90MPaa12018014077MPa母材母材同种接头同种接头异种接头异种接头环缝横向应力环缝横向应力设计许用应力设计许用应力Creep Tests on T/P92 Welds at 600CThermanit MTS 61610100100010100100010000100000Time (h)Stress (MPa)SMAWSAWT/P92

27、_Eval. 2004 +/- 20%600Creep Tests on T/P92 Welds at 625CThermanit MTS 61610100100010100100010000100000Time (h)Stress (MPa)SMAWSAWT/P92_Eval. 2004 +/- 20%625Creep Tests on T/P92 Welds at 650CThermanit MTS 61610100100010100100010000100000Time (h)Stress (MPa)SMAWSAWT/P92_Eval. 2004 +/- 20%Open Symbol: Running Test650C 新型耐热钢可以实现不预热焊接 部分耐热钢可以实现焊后不热处理 焊接热裂纹可以通过改进焊接坡口和排道方法消除 采用高匹配焊材焊接异种钢，焊接冷裂纹倾向小 异种