主蒸汽管插座與熱電偶保護套管焊接工藝

摘 要：在火電廠金屬材料應用中，為了使機組部件在使用中既能保證性能穩定又節省材料，很多管道應用了異種成分或組織的材料。于是，異種鋼的焊接也成了非常重要的問題。本文針對12Cr1MoV主蒸汽管道管座與1Cr18Ni9Ti熱電偶保護套管異種鋼接頭焊接問題，提出了采用以CrNi-3高鎳焊絲氬弧焊打底，奧307焊條電弧焊填充、蓋面以及通過合理控制焊縫熔合比的焊接工藝。

通過這種焊接工藝對主蒸汽管道管座與1Cr18Ni9Ti熱電偶保護套管進行焊接，不僅得到優質的焊接接頭，又能使主蒸汽管道的安全運行得到保證。

關鍵詞：金屬材料 控制熔合比 異種鋼焊接工藝

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）08-0-01

一、課題的提出

在我廠主蒸汽管道的定期檢驗工作中，發現主蒸汽管道的管座與熱控溫度原件保護套管的焊接接頭有微裂紋缺陷，準備對套管進行更換，其中主蒸汽管插座的材質為12Cr1MoV低合金，規格為ф80×10mm，溫度原件保護套管的材質為奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti，規格為ф80×10mm，其結構關系如圖1所示，很明顯這種焊接接頭屬于異種材料的焊接。其焊接工藝的正確、合理與否將直接影響主蒸汽管道的安全運行。

二、焊接性分析

1.Cr18Ni9Ti是一種應用很廣泛的18-8型奧氏體不銹鋼

具有良好的力學性能、較高的持久強度、良好的耐腐蝕性能和組織穩定性，冷變形能力好，在空氣中有高的耐熱穩定性。但是熱導率小而線膨脹系數大，焊縫會產生大的拉應力，容易在焊縫和熔合線處產生熱裂紋。在焊接工藝不合理的情況下會發生熱裂紋等缺陷；12Cr1MoV屬于珠光體耐熱鋼，該鋼具有較強的熱強性和持久塑性，抗氧化性能和焊接性能良好，但在焊接過程中焊縫和熱影響區淬硬傾向大，近縫區容易被淬硬形成馬氏體，從而產生殘余應力；在高溫下有很好的沖擊韌性。從多年的現場焊接情況看，出現的主要問題是在拘束應力較大的情況下冷裂紋的傾向較高。

2.焊接接頭的主要特點為

①因主蒸汽管道的管座與熱控溫度原件保護套管成分的不同導致的焊縫合金元素含量的不均勻；②因焊縫合金元素含量的不均勻導致焊縫金屬金相組織的不均勻；③因焊縫金屬金相組織的不平衡使得焊縫金屬力學性能的不平衡，直接影響到焊接接頭的持久強度。由于母材的金屬組織和合金含量都不相同，導致接頭焊接性非常復雜。④珠光體耐熱鋼12Cr1MoV和奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti的線膨脹系數和熱導率不同，在焊接時不僅會產生較大的焊接殘余應力，在高溫熱循環下還會產生大的熱應力，特別是在溫度變化時，由于熱應力引起熱沖擊力，極易使焊縫形成熱裂紋。⑤由于在焊接時的不均勻溫度場和機組運行時的動態高溫下，焊接接頭的熔合線附近，碳由12Cr1MoV珠光體耐熱鋼側向1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼側焊縫擴散，使得在這一區域形成一層軟化的鐵素體脫碳層，因此導致熔合區焊縫金屬強度下降，特別容易形成微裂紋；在奧氏體不銹鋼側形成增碳層而硬度增加，導致這一區域形成晶間腐蝕和應力腐蝕開裂。

三、焊接時存在的問題

1.馬氏體組織由于硬而脆的特性，造成珠光體側較大冷裂紋傾向。

2.不合理的焊接工藝容易使組織發生脆化。

3.由于異種鋼焊接時工藝不合理容易出現碳遷移現象，在焊接接頭兩側熔合線處形成過渡層，即在12Cr1MoV珠光體耐熱鋼側母材上形成脫碳層，而在1Cr18Ni9Ti不銹鋼一側母材上形成增碳層。這種一軟一硬的過渡區域造成焊接接頭的力學性能極不穩定，很容易在應力作用下發生接頭斷裂。

4.珠光體耐熱鋼與奧氏體不銹鋼線膨脹性能和導熱性相差很大，焊后在焊接接頭中易產生較大的殘余應力，在長期高溫運行時，容易產生疲勞裂紋。為了保證設備安全運行，必須保證焊接接頭有優良的焊接質量，因此必須有一套合理的焊接工藝。

四、焊接工藝

1.焊接方法

為了獲得優質的焊接接頭，解決上述分析的各種問題，在焊接方法上采用手工鎢極氬弧焊封底，焊條電弧焊填充蓋面的焊接方法。

2.焊接材料

異種鋼焊接的關鍵是焊接材料的選擇。珠光體與奧氏體鋼相連接的異種鋼接頭，一般是采用Cr- Ni奧氏體鋼作為焊接材料，根據舍夫勒圖來選擇焊接材料，如圖2所示。

2.1珠光體耐熱鋼和奧氏體不銹鋼焊接時基本有質相同量的珠光體耐熱鋼和奧氏體不銹鋼熔入焊縫金屬。當不添加金屬材料焊接時，圖中之點a即為這兩種鋼相同質量分數混合后的成分，相當于待焊件的金屬成分。通過控制焊縫熔合比，可以得到三種組織的焊縫金屬：奧氏體加馬氏體雙相組織、單相奧氏體組織以及奧氏體加鐵素體雙相組織。奧氏體加馬氏體雙相組織由于性能相差較大，在組織應力影響下易形成熱裂紋；單相奧氏體組織在熱應力作用下也容易引起裂紋；而當焊縫金屬組織為奧氏體加鐵素體雙相組織，其熱裂傾向小，滿足焊接接頭的使用要求。所以，當焊材金屬為f2，同時將熔合比控制在百分之三十以下，可以使焊縫得到理想的A+F雙相組織，從而使焊縫的抗裂和抗腐蝕能力大大增強；若焊材金屬為f3，此時只有當熔合比小于0.15時方可避免焊縫出現馬氏體組織。因此，選用與f2成分相當的高鎳焊絲ERCrNi-3焊絲與A307焊條作為填充材料，見表1。

2.2焊接過程中使用，ERCrNi-3焊絲與A307焊條作為填充材料控制熔合比不能太小，否則易在組織中發生脆化現象。

2.3認真清理焊絲上的油繡污物，至露出金屬光澤。焊條在烘箱內經過350--400℃烘干2h，保溫30min， 使用時放在110℃保溫筒內，隨用隨取。

3.焊前準備

采用如圖3所示的單面V形坡口，以降低焊縫熔合比并且保證根部焊透。

3.1光體鋼和奧氏體鋼相焊接時，由于熔池表面張力的不同易造成電弧偏吹現象，在坡口完全對稱的情況下，珠光體鋼一側的熔化量可能要大一些，為了嚴格限制熔合比，適當增大了珠光體鋼一側的坡口角度。采用機械方法制備坡口。

3.2認真清理焊口兩側及內外壁20mm范圍內的油、漆、垢、銹等污物，直至露出金屬光澤。

3.3真確選擇焊接規范，焊接過程中必須控制其層間溫度，層間溫度不超過150℃。為了避免異種鋼焊接接頭產生晶間腐蝕和熱裂紋等缺陷，在焊接時應該盡量選擇小規范、焊速稍快。

3.4工藝參數選擇及焊接操作要點

使用ERCrNi-3焊絲與A307焊條，必須嚴格控制焊接熱輸入。線能量太大，凝固過程中會促使形成過渡層和碳遷移過渡層的同時，會造成熔合比增加而不能形成奧氏體加鐵素體雙相組織；線能量太小，造成冷卻速度增加，會促使珠光體側生成馬氏體而形成冷裂紋。綜合上述兩方面因素，選擇表2中的焊接工藝參數進行焊接。

①_x0001_打底焊時，采用碰撞引弧，內壁進行充氬保護。焊接電弧要短，噴嘴與焊件間距離小于10mm.應提前送氣，滯后停氣，收弧時注意填滿弧坑，打底層要保證一定厚度。

②填充層的焊接應在打底層焊完后盡快進行，以免由于應力作用使打底層開裂。

③蓋面層焊縫完成后，對12Cr1MoV鋼側焊縫進行適當的保溫緩冷措施，以防止因冷卻速度太快出現淬硬組織。

④由于在焊接過程中拘束度很小，焊縫一般不會出現冷裂紋，所以沒有采用焊前預熱措施，焊后一般不進行熱處理。

五、質量檢驗

用上述工藝對焊口進行焊接施工，射線檢驗，結果未發現任何缺陷。

結語

經過檢驗及復檢可以得出結論，采用ERCrNi-3焊絲打底，A307電焊條蓋面，加大12Cr1MoV側坡口的角度，采用小規范小電流，控制好層間溫度和熔合比，不采用焊前預熱和焊后熱處理的方法，能夠保證焊件的質量及安全運行。

參考文獻

[1]錢昌黔.耐熱鋼焊接[M]. 北京：水利電力出版社，1988.

[2]周振豐，張文鉞.焊接冶金及金屬焊接性[M] 北京：機械工業出版社，1988.

[3]《火力發電廠焊接技術規程》DL/T869-2004.

作者簡介：馬云：（1975-），男，高級技師，助理工程師，長期從事燃煤火力發電廠金屬焊接工作。