12Cr2Mo1钢药芯焊丝...NiCr3T0-4工艺研究_杨博.pdf

钢药芯焊丝电弧堆焊 工艺研究杨 博，李战斌，刁旺战，徐祥久，（哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨；高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨）摘 要：采用药芯焊丝电弧焊研究了在 钢基材上堆焊 （）耐蚀层的工艺性能。此工艺技术主要用于实现压力容器法兰圆角处、环缝补焊部位等的堆焊过程。通过对试件的堆焊层无损检测以及化学成分、宏观及微观组织、力学性能和耐晶间腐蚀性能的理化性能检验项目进行验证，结果表明，采用该焊接工艺方案，可以获得优质的堆焊焊道，堆焊层的各项性能满足标准要求。关键词：焊接工艺；堆焊；药芯焊丝电弧焊；中图分类号：文献标识码：文章编号：（）Y，（，；，）：（），：；收稿日期：作者简介：杨博（），硕士，工程师，主要从事锅炉、压力容器的焊接与热处理技术工作。引言蒸汽过热器、废热锅炉等压力容器产品管箱侧基材为 锻件，设计温度，工作介质为、等腐蚀性气体，长期在高温、高压环境下运行，对管板、管箱筒体、接管等部位提出了很高的耐蚀要求。目前根据腐蚀介质特点，通常采用堆焊镍基材料耐腐蚀层的方式，防止并减少工作介质腐蚀。实际制造过程中根据产品结构特点，选择不同的焊接方法进行堆焊，管板、筒体、接管内壁大面积堆焊通常可采用电渣焊带极堆焊，其他不适合机械焊区域一般会采用焊条电弧焊堆焊。焊条电弧焊由于其自身的局限性，存在效率较低、成本高、焊工劳动强度大等缺点。熔化极气体保护焊相对于焊条电弧焊相比工作效率明显提高，能够连续操作，焊接成本低等优势。药芯焊丝电弧焊熔池有良好的渣壳保护，具有焊接工艺性优良、焊 接 生 产 效 率 高、焊 缝 成 形 美 观 等 优点。因此研究镍基药芯焊丝电弧焊工艺，对 第 期锅 炉 制 造 年 月 提高生产效率，降低生产成本，降低工人劳动强度，具有非常大的意义。焊接工艺及材料试验采用板状试件，在平焊位置开展堆焊试验。焊前对基材待堆焊面进行无损检验，焊接完成后对堆焊层进行无损检验。焊态下进行铁素体含量检验和熔敷金属化学成分检验，热处理后进行弯曲及硬度检验，宏观、微观检验以及耐晶间腐蚀性能检验。试验材料试板材质为，规格为 ，厚度。堆焊焊丝为 （），直径为 ，符合 ：弧焊用镍合金药芯焊丝标准，焊接保护气体为 ，气体流量为 。钢化学成分要求与焊材熔敷金属化学成分见表。表 钢板化学成分要求与焊材熔敷金属化学成分元素 注：化学成分单一值为最大值（）焊接工艺焊接时，采用药芯焊丝电弧焊。首层焊前进行预热，根据基材材质选择首层预热温度不低于，道间温度不大于。第二层和第三层在室温下进行焊接，层道间温度不大于，如图 所示。图 堆焊示意图堆焊采用的电源型号为，根据镍基堆焊材料的特点，焊接过程中采用的焊接电流不超过，减少焊接热输入，防止产生热裂纹，具体焊接工艺参数见表。堆焊完成后，将试件锯切为两部分，一部分取样进行铁素体含量检验和熔敷金属化学成分检验；另一部分进行 热处理，热处理后取样进行力学性能检验，宏观、微观检验以及耐晶间腐蚀性能检验。试验方法采用 型液压万能材料试验机进行弯曲试验；采用 型金相显微镜及图像分析系统进行宏观、微观检验；采用 型维氏硬度计和 型布氏硬度计进行硬度测试；采用 型试验装置和 型弯曲试验机进行晶间腐蚀试验。表 焊接工艺参数焊层焊接方法填充金属种类直径 电流种类极性范围 电压范围 焊接速度（）压道量 试验结果）无损检验。按照 对基材待堆焊面进行 检验，堆焊完成后对堆焊层进行 和 检测，均未发现缺陷。）硬度性能检验。取堆焊试件截面，按 对母材、热影响区、堆焊层进行硬度检验，结果如图 所示。按 对堆焊层表面进行硬度检测平均值为。）化学成分检验。在焊态下，按 检测距基材表面 和 处堆焊层化学成分，结果见表。与合格指标对比，可以看出堆焊层化学成分满足产品要求。）弯曲性能检验。按照 制备 个试样，进行侧弯试验。试样拉伸面堆焊层和热影响区均完好无缺陷，结果表明堆焊层与母材熔合良好，如图 所示。锅 炉 制 造 总第 期300250200150100500硬度值（HV10）热影响区堆焊层母材图 截面硬度检验结果图 侧弯试样 ）宏观检验。对堆焊试样进行宏观检验，堆焊层与基材熔合良好，堆焊层未发现裂纹、气孔等缺陷，如图 所示。图 宏观试样）微观检验。按 对堆焊试样进行微观检验，包括基材、热影响区和堆焊层，如图 所示。图 为基材和热影响区金相组织，基材和热影响区金相组织均为贝氏体，受热输入影响，热影响区晶体尺寸较大。图 为堆焊层金相组织，金相检验显示为分布较均匀的奥氏体和碳化物，能够看到柱状晶界。表 耐蚀层化学成分元素 合格值 距基材表面 距基材表面 图 金相组织照片）晶间腐蚀试验。按照 中 法，在堆焊层取 个晶间腐蚀试样，规格为 ，放在加有铜屑的硫酸 硫酸铜溶液中煮沸 小时进行晶间腐蚀试验，通过弯曲试样判断晶间腐蚀倾向。在 倍放大镜下观察弯曲试样外表面，均无因晶间腐蚀产生的裂纹，如图 所示。图 晶间腐蚀试样 结论采 用药芯焊丝电弧焊的方法在钢下转第 页 第 期 杨 博，等：钢药芯焊丝电弧堆焊 工艺研究(a)基材和热影响区(b)堆焊层图 远离裂纹处壁厚中间位置显微组织 分析与讨论）通过对三叉管样管进行取样分析，三叉管的化学成分和力学性能均符合 标准对 材料的规定。）通过金相组织观察结果可知，三叉管样品截面存在贯穿整个壁厚的裂纹，裂纹附近壁厚中间的显微组织为铁素体 碳化物，远离裂纹处的组织为回火马氏体，符合 材料的材质特征。）通过送检样品宏观检查可知，样品直管段外表面存在若干细小凹坑状缺陷，疑似存在裂纹。结合金相组织观察，该区域疑似为样品内部蒸汽泄漏的原始区域。通过对三叉管样品截面贯穿裂纹进行分析可知，主裂纹上存在指向内壁的二次裂纹，由此可知样品开裂时裂纹由外壁向内壁扩展，说明裂纹在样品外表面凹坑缺陷处萌生，进而逐渐向内壁扩展直至在壁厚截面上贯穿整个样品。此外，样品近外壁显微组织体现出典型的焊缝特征，由此推测样品外壁经历熔化 凝固焊接过程，在此过程中由于焊材选择和焊接工艺控制不当等可能原因，从而导致该处裂纹萌生、扩展直至贯穿整个样品。此外，结合样品表面凹坑缺陷附近存在的机加工痕迹推测，焊接过程中形成了气孔缺陷，经后续机加工后形成了样品表面的凹坑形貌。通过对比裂纹处以及远离裂纹处的显微组织可知，裂纹处存在明显的脱碳现象，应为热处理工序导致，且热处理温度应在 材质正火温度以上；三叉管在与其他部件连接进行焊接后，需进行焊后退火，退火温度为 ，该温度无法造成脱碳现象。由此说明，该裂纹应是在三叉管生产制造过程中的最终热处理工序之前已经存在。综上所述，所分析三叉管的泄漏原因应为外表面凹坑状缺陷诱发的贯穿裂纹所致。凹坑状缺陷为样品外表面产生焊缝结构导致，推测该处焊缝结构的形成可能与三叉管外表面经历补焊过程有关。裂纹在样管制管过程中的最终热处理工序之前既已存在。结论某电厂低温再热器材质为 的三叉管化学成分和硬度均符合 标准的要求。三叉管外表面补焊产生的焊缝结构，是导致裂纹萌生扩展并最终泄漏的主要原因，裂纹在三叉管最终热处理前已存在。参考文献 高温用锻制或轧制合金钢和不锈钢法兰、锻制管件、阀门和部件 耿波，张路，范念青，等 水蒸气温度和流量对 钢氧化行为的影响 材料工程，（）：张晓昱，欧阳杰，柯浩，等 钢长时间高温运行后塑韧性变化趋势研究 热力发电，（）：赵炜炜，楼玉民，彭以超，等 超超临界锅炉低温再热器垂直段频繁爆管原因分析 热力发电，（）：曹剑峰，马忠于，周宇伟，等 国产 等级超临界机组 锻制大三通的质量控制 中国电机工程学会电力行业无损检测学术会议，：上接第 页上堆焊 ，获得了无损检验合格的堆焊层，堆焊层的组织为奥氏体和碳化物，堆焊层与基材熔合良好，弯曲未发现缺陷，化学成分满足产品要求，并且具有良好的耐晶间腐蚀性能。参考文献 段斌，马德志 现代焊接工程手册 基础卷 北京：化学工业出版社，：徐祥久 浅析 在锅炉制造中的应用 焊接，（）：张杰 保护气体对镍基药芯焊丝堆焊层性能的影响 焊接技术，（）：钟正彬，张杰 气化炉内件镍基堆焊工艺研发及应用 东方电气评论，（）：锅 炉 制 造 总第 期