耐熱鋼與雙相不銹鋼異種材料焊接工藝

■ 周芳敏，趙瑞輝

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我公司制造的一臺預加氫進料換熱器產品，結構如圖1所示，殼程主體為14Cr1MoR材料，規格為φ1700mm×34mm，設計溫度300℃，設計壓力5.6MPa，介質為混合石腦油、循環氫等。管程主體為S22053材料，規格為φ1200mm×30mm，設計溫度350℃，設計壓力4.6MPa，介質為預加氫產物。

管殼程通過殼程封頭與管程管板相焊成為一體（見圖1中焊接接頭編號D1、D2），封頭材料為14Cr1MoR，管板材料為S22053Ⅲ，兩種材料屬于不同類別，分別為Fe—4和Fe—10H，為耐熱鋼和雙相不銹鋼異種材料焊接。為保證焊接接頭性能，根據技術協議及標準規范要求，分析兩種材料各自焊接性能及相互之間的差異，制定焊接工藝評定方案進行各項試驗，驗證焊接工藝的正確性。

1. 焊接性分析

14Cr1MoR屬于低合金珠光體耐熱鋼、Fe—4類別，焊接性較差，具有冷裂紋、再熱裂紋、回火脆性等傾向，焊接時需采用焊前預熱，焊后緩冷及消氫處理的措施。要嚴格控制母材及焊縫金屬的P、Sn、As、Sb元素含量，選擇低氫焊接材料，采用低熱輸入焊接方法和工藝，縮小焊接接頭過熱區寬度，限制晶粒長大。焊接后需進行消除應力熱處理，選擇合理的熱處理工藝參數，縮短在敏感溫度區間的保溫時間。

S22053屬于鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼，Fe—10H類別，焊接性良好，焊前不需預熱，焊后不做熱處理。由于鐵素體含量較高，在300～500℃內存在時間較長時，將發生475℃脆性和由α→σ相變引起的脆化，焊接時應注意層間溫度的控制，當拘束度較大及焊縫金屬含氫量較高時，還存在焊接氫致裂紋的危險，應當選擇低氫的焊接方法和焊接材料。

圖1 預加氫進料換熱器結構

兩種材料焊接工藝差異如表1所示。另外兩種材料在熱導率和線膨脹系數等物理特性方面也存在較大差異，焊接時會產生較大殘余應力。若直接采用異種鋼焊接材料進行焊接，無法保證材料各自所要求的焊接工藝。為此，應采用異種鋼焊接材料在14Cr1MoR側進行堆焊，焊后進行堆焊層的消除應力熱處理，然后再采用與S22053相同性能的焊接材料進行焊接。

2. 工藝評定試驗方案

受材料所限，以公司現有材料15CrMoR代替14Cr1MoR進行焊接工藝評定試驗，兩種材料為同一類組別Fe—4—1，按照NB/T47014標準分別進行15CrMoR堆焊工藝評定試驗和15CrMoR與S22053異種材料對接工藝評定試驗，板厚及坡口形式如圖2所示，工藝評定試驗采用的焊接參數如表2、表3所示。

15CrMoR堆焊采用焊條電弧焊方法，焊條選用ENiCrFe—3，焊后立即進行670℃±10℃，4h的消除應力熱處理，基層堆焊前預熱120～150℃，堆焊層道間溫度控制在≤150℃。

15CrMoR與S22053異種材料對接，首先在15CrMoR坡口側采用焊條電弧焊進行堆焊，焊條選用ENiCrFe—3，焊后立即進行670℃±10℃、4h的消除應力熱處理，然后再采用氬弧焊打底，焊條電弧焊填充蓋面焊完其余層。氬弧焊焊絲選用ERNiCr—3，焊條選用ENiCrFe—3，坡口側堆焊前預熱120～150℃，堆焊道間溫度控制在≤150℃，對接焊道間溫度控制在≤150℃。

3. 試驗結果與分析

試件按以上擬定的焊接工藝評定試驗方案進行焊接、取樣、試驗，堆焊試驗結果如表4、表5所示，對接焊試驗結果如表6～表8所示。

圖2 坡口形式

表1 14Cr1MoR和S32205材料焊接工藝差異

表2 堆焊工藝參數

表3 對接焊參數

表4 堆焊彎曲試驗結果

表5 堆焊化學分析試驗結果

從試驗結果可見，堆焊彎曲試樣無缺陷，熔敷金屬化學成分符合堆焊焊條標準要求，表明堆焊焊接工藝可以保證其坡口側堆焊的力學性能和化學成分要求。對接焊試驗抗拉強度高于母材標準規定最小抗拉強度值450 MPa，彎曲試驗試樣受拉表面無缺陷，橫向沖擊試驗試樣15CrMoR側熱影響區沖擊吸收能量值大于標準規定的最小值31J（10mm×10mm×55mm標準試樣）和15.5J（5mm×10mm×55mm小尺寸試樣），表明對接焊焊接工藝可以保證該異種材料焊接接頭的力學性能和沖擊韌性滿足標準規范要求。

4. 產品焊接工藝應用

依據工藝評定試驗，預加氫進料換熱器產品編號D1、D2接頭14Cr1MoR坡口側采用焊條ENiCrFe—3進行堆焊。堆焊前坡口側進行100%MT檢測，確認無缺陷，然后預熱至120～150℃進行第一層堆焊，堆焊第二、三層道間溫度控制在150℃以內，焊后立即進行300～350℃、2h的后熱消氫處理，待殼程全部制作完成后，進行（670±10）℃、1.6h的整體消應力熱處理。熱處理后對坡口堆焊部分進行機加工修磨，保證堆焊層厚度不低于5mm，并進行100%PT檢測，確認無缺陷，合格后與管程管板S22053Ⅲ材料進行組對焊接。對接焊采用氬弧焊打底，背面通氬氣保護，焊條電弧焊填充蓋面，氬弧焊焊絲選用ERNiCr—3，焊條選用ENiCrFe—3，道間溫度控制在150℃以內，焊后焊縫表面進行100%PT檢測，確認無缺陷。

表6 對接焊拉伸試驗結果

表7 對接焊彎曲試驗結果

表8 對接焊沖擊試驗結果

5. 結語

預加氫進料換熱器管殼程采用焊接方式連接，連接部位為耐熱鋼和雙相不銹鋼異種材料。兩種材料焊接性差異較大，采用焊條ENiCrFe—3在耐熱鋼坡口側進行堆焊，并經焊后消應力熱處理，再與雙相不銹鋼采用氬弧焊打底，焊條電弧焊填充蓋面方式組對焊接。氬弧焊焊絲選用ERNiCr—3，焊條選用ENiCrFe—3，焊接過程控制預熱及道間溫度，經焊接工藝評定試驗驗證，該焊接工藝可以保證產品焊接接頭力學性能及沖擊韌性滿足標準規范要求。

[1] 中國機械工程學會焊接學會編.焊接手冊 材料的焊接(第三版)[M]. 北京:機械工業出版社，2008.