91級材料筒節(jié)與20MnMo材料管板間的焊接及熱處理工藝研究

莫其鵬，李占雷，銀潤邦

（東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川 成都 611731）

隨著環(huán)境問題的日趨嚴(yán)峻，節(jié)能減排綠色發(fā)展已成為各個行業(yè)未來發(fā)展的主要方向，傳統(tǒng)火力發(fā)展面臨著巨大的挑戰(zhàn)，綠色低碳發(fā)電機(jī)組應(yīng)運(yùn)而生，二次再熱機(jī)組成為節(jié)能減排、綠色低碳發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，異種材料就在輔機(jī)產(chǎn)品中廣泛的使用起來，出現(xiàn)了大量的的異種鋼接頭，鋼接頭在鍋爐和壓力容器中，存在大量的異種鋼接頭，由于兩種材料有本質(zhì)的差異，給焊接和熱處理工藝帶來了挑戰(zhàn)，某二次再熱輔機(jī)項(xiàng)目蒸汽冷卻器筒節(jié)采用規(guī)格為δ60mm的91材料，管板采用規(guī)格為δ**mm的20MnMo材料，這種兩種材料焊后熱處理溫度差異很大，無法同時滿足這兩種材料的熱處理規(guī)范，這也成為行業(yè)內(nèi)異種鋼接頭焊接的一大難點(diǎn)，在各類工程設(shè)計(jì)中均禁止出現(xiàn)類似的接頭結(jié)構(gòu)，因此，開展91級材料與20MnMo材料間的焊接及熱處理工藝研究是解決這一難題的關(guān)鍵[1]。

本文采用在91級材料與20MnMo材料的坡口側(cè)分別堆焊鎳基材料，然后分別按照各自的熱處理工藝進(jìn)行熱處理，再用手工焊+埋弧自動焊實(shí)現(xiàn)筒身與管板的連接，可有效解決兩種材料焊后熱處理溫度差異過大的問題，同時也避免兩種不同材料直接焊接，提出合理的焊接工藝及熱處理方案，供生產(chǎn)使用。

1 試驗(yàn)方案

為充分驗(yàn)證本文提出的解決方案的可靠性和實(shí)用性，試驗(yàn)方案包括四部分：①堆焊焊帶EQNiCr-3選型，選擇性能優(yōu)良滿足連續(xù)生產(chǎn)需求的焊帶。②91試板坡口側(cè)堆焊EQNiCr-3材料后與91材料對接試驗(yàn)，驗(yàn)證91坡口側(cè)堆焊的焊縫性能。③20MnMo試板坡口側(cè)堆焊EQNiCr-3后與20MnMo試板對接試驗(yàn)，驗(yàn)證20MnMo坡口側(cè)側(cè)堆焊焊縫性能。④91試板坡口側(cè)堆焊EQNiCr-3與20MnMo試板坡口側(cè)堆焊EQNiCr-3進(jìn)行埋弧焊對接試驗(yàn)，驗(yàn)證最終對接焊縫性能。

1.1 國產(chǎn)EQNiCr-3焊帶選型試驗(yàn)

選用國產(chǎn)鎳基焊材技術(shù)領(lǐng)先的A廠家和B廠家生產(chǎn)的規(guī)格為60mm×0.5mm的EQNiCr-3焊帶作為試驗(yàn)對象，試驗(yàn)編號分別為04-A和04-B，均采用如下參數(shù)見表1，在相同實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行堆焊，每塊試板堆焊5層，總厚度約20mm，堆焊完成后對試板進(jìn)行熱處理，熱處理曲線見圖1。

表1 試板堆焊參數(shù)

圖1 熱處理曲線

試板焊接成型后的表面宏觀照片如圖2所示，04-A堆焊層表面光滑平整，焊道搭接平滑，無明顯的咬邊和凹坑，成型良好，但脫渣性稍差，不能自動脫去藥皮，需要敲擊或輕微打磨去除；04-B表面紋路粗大，焊道搭接處不平整，存在明顯的咬邊和凹坑，成型較差，但脫渣性良好，能自動脫掉藥皮。

圖2 04-A（左）和04-B（右）焊接成型后的表面宏觀照片

對04-A和04-B試板堆焊層按NB/T 47014-2011[2]分別檢測化學(xué)成分和力學(xué)性能。試驗(yàn)結(jié)果見表2和表3，結(jié)果顯示，04-A化學(xué)成分和力學(xué)性能均滿足要求，04-B的Nb+Ta含量略超上限，其余化學(xué)元素含量和力學(xué)性能均滿足要求。

表3 熔敷金屬力學(xué)性能

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，04-A的焊接工藝性能較好，焊縫成形良好，且化學(xué)成分和力學(xué)性能均滿足NB/T 47014-2011標(biāo)準(zhǔn)要求，04-B的焊接工藝性和焊縫成形都較差，且化學(xué)成分不滿足NB/T 47014-2011標(biāo)準(zhǔn)要求，故選用04-A焊帶用于產(chǎn)品生產(chǎn)。

1.2 91試板堆焊EQNiCr-3材料后與91材料對接試驗(yàn)

試驗(yàn)采用規(guī)格為500mm×160mm×60mm的兩塊SA-336F91試板，在其中一塊厚度側(cè)帶級堆焊厚度為40mm的鎳基材料EQNiCr-3，試板堆焊后進(jìn)行熱處理，熱處理曲線如圖3所示，并進(jìn)行UT探傷，無缺陷后，按圖4對兩塊試板加工焊接坡口，然后按要求裝配焊接，相關(guān)參數(shù)如表4所示，焊后對試板 進(jìn) 行100%PT、100%UT、100%RT分 別 按JB/T4730.5-2005Ⅰ級、JB/T4730.3-2005Ⅰ級、JB/T4730.2-2005Ⅱ級合格，試板編號4814R040，然后按哪個標(biāo)準(zhǔn)對整個焊接接頭依次進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5、表6、表7、表8。

表2 熔敷金屬化學(xué)成分

表4 焊接參數(shù)

圖3 熱處理曲線

圖4 焊接坡口示意圖

表5 拉伸試驗(yàn)

表6 彎曲試驗(yàn)

表7 夏比沖擊試驗(yàn)

表8 硬度試驗(yàn)

與91原材料性能進(jìn)行對比，可以看出91試板堆焊后（焊帶EQNiCr-3，焊劑GXN-S600）與91再對接（對接焊條Ni327），堆焊層性能合格，，證明91試板側(cè)堆焊層性能要求，可以用于產(chǎn)品實(shí)際使用。

1.3 20MnMo試板堆焊EQNiCr-3材料后與20MnMo材料對接試驗(yàn)

試驗(yàn)采用規(guī)格為500mm×160mm×60mm的兩塊20MnMo試板，在其中一塊厚度側(cè)帶級堆焊厚度為40mm的鎳基材料EQNiCr-3，試板堆焊后進(jìn)行熱處理，熱處理曲線如圖5所示，并進(jìn)行UT探傷，無缺陷后，按圖6對兩塊試板加工焊接坡口，然后按要求裝配焊接，相關(guān)參數(shù)如表9所示，焊后對試板進(jìn)行100%PT、100%UT、100%RT分 別 按JB/T4730.5-2005Ⅰ 級、JB/T4730.3-2005Ⅰ級、JB/T4730.2-2005Ⅱ級合格，試板編號4814R034，然后對整個焊接接頭依次進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表10、表11、表12、表13。

圖5 熱處理曲線

圖6 焊接坡口示意圖

表10 拉伸試驗(yàn)

表9 焊接參數(shù)表

表11 彎曲試驗(yàn)

表12 夏比沖擊試驗(yàn)

表13 硬度試驗(yàn)

表14 堆焊參數(shù)

表15 焊接參數(shù)

與20MnMo原材料性能進(jìn)行對比，可以看出20MnMo試板堆焊后（焊帶EQNiCr-3，焊劑GXN-S600）與20MnMo再對接（對接焊條Ni327），堆焊層性能合格，證明20MnMo試板側(cè)堆焊層可以性能要求，可以用于產(chǎn)品實(shí)際使用。

1.4 91試板堆焊EQNiCr-3材料后與20MnMo試板堆焊EQNiCr-3材料后進(jìn)行埋弧焊對接試驗(yàn)

圖7 20MnMo試板焊后熱處理曲線

圖8 SA-336F91試板焊后熱處理曲線

圖9 焊接坡口圖

試驗(yàn)采用規(guī)格為500mm×160mm×60mm的20MnMo試板和SA-336F91試板各一塊，分別在兩塊試板的60mm厚度側(cè)帶級堆焊EQNiCr-3鎳基材料，堆焊厚度為40mm，相關(guān)堆焊參數(shù)如表14所示，堆焊完成后，分別進(jìn)行熱處理，熱處理曲線如圖7、圖8所示，并進(jìn)行UT探傷，無缺陷后，按圖9對兩塊試板加工焊接坡口，然后按要求裝配焊接，相關(guān)參數(shù)如表15所示，焊后對試板進(jìn)行100%PT、100%UT、100%RT分別按JB/T4730.5-2005Ⅰ級、JB/T4730.3-2005Ⅰ級、JB/T4730.2-2005Ⅱ級合格，試板編號4814R033，然后對整個焊接接頭依次進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表16、表17、表18、表19。

表16 拉伸試驗(yàn)

表17 彎曲試驗(yàn)

表18 夏比沖擊試驗(yàn)

表19 硬度試驗(yàn)

對比原材料性能要求，可以看出20MnMo試板堆焊后與SA-336試板堆焊后再對接，從硬度數(shù)據(jù)可以看出：中間埋弧焊焊縫硬度最高，兩側(cè)堆焊層和91側(cè)熱影響區(qū)其次，然后依次是91母材、20MnMo熱影響區(qū)、20MnMo母材。這說明了整個接頭中埋弧焊焊縫、兩側(cè)堆焊層及91側(cè)熱影響區(qū)的強(qiáng)度均高于91母材，整個接頭中強(qiáng)度最低的是20MnMo側(cè)熱影響區(qū)和母材，符合原設(shè)計(jì)要求。焊縫接頭性能合格，滿足要求，可以用于產(chǎn)品實(shí)際使用。

2 產(chǎn)品實(shí)施方案

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可在筒身（材質(zhì)SA-336F91）和管板（材質(zhì)20MnMo）對接環(huán)縫坡口側(cè)分別堆焊鎳基材料，然后分別按照各自的熱處理工藝進(jìn)行熱處理，再用手工焊+埋弧自動焊實(shí)現(xiàn)筒身與管板的連接。

2.1 筒節(jié)堆焊及熱處理工藝如下

（1）筒節(jié)坡口端部裝圓環(huán)墊板，增大工作面，并將其固定在回轉(zhuǎn)平臺上，方便堆焊時旋轉(zhuǎn)，采用帶極埋弧堆焊在筒節(jié)端部堆焊EQNiCr-3鎳基材料，堆焊厚度大于35mm，如圖10所示。

（2）機(jī)加掉墊板，并粗車堆焊層至滿足表面探傷要求，對堆焊層進(jìn)行PT探傷和UT探傷，按JB/T4730.3-2005Ⅰ級合格。

（3）91筒節(jié)進(jìn)行760℃下的焊后熱處理。

（4）精加工堆焊層至設(shè)計(jì)要求，并在堆焊層上機(jī)加環(huán)縫坡口。

圖10 91筒節(jié)坡口面堆焊

圖11 20MnMo管板坡口面堆焊

2.2 20MnMo管板堆焊及熱處理工藝如下

（1）在管板坡口端部裝圓環(huán)墊板，增大工作面，并將其固定在回轉(zhuǎn)平臺上，方便堆焊時旋轉(zhuǎn)，采用帶極埋弧堆焊在20MnMo管板坡口側(cè)堆焊EQNiCr-3鎳基材料，堆焊厚度大于35mm，如圖11所示。

（2）機(jī)加掉墊板，并粗車堆焊層至滿足表面探傷要求，對堆焊層進(jìn)行PT探傷和UT探傷，按JB/T4730.2-2005Ⅱ級合格。

（3）20MnMo管板進(jìn)行620℃下的焊后熱處理。

（4）精加工堆焊層至設(shè)計(jì)要求，并在堆焊層上機(jī)加環(huán)縫坡口。

2.3 環(huán)縫對接

采用手工焊+埋弧自動焊的方法實(shí)現(xiàn)環(huán)縫焊接，焊后對環(huán)縫及環(huán)縫兩側(cè)的堆焊層一起進(jìn)行100%PT和100%RT探傷，JB/T4730.5-2005Ⅰ級、JB/T4730.2-2005Ⅱ級合格。

3 試驗(yàn)結(jié)論

（1）91側(cè)堆焊層經(jīng)過760℃的熱處理后，其性能仍能滿足91材料的要求。

（2）20MnMo側(cè)堆焊層經(jīng)過620℃的熱處理后，其性能滿足20MnMo材料的要求。

（3）91與20MnMo分別堆焊后對接形成環(huán)縫，整個接頭性能滿足要求。雖然兩側(cè)堆焊層使用。不同的熱處理規(guī)范，但是硬度值無差別，說明熱處理溫度的升高沒有降低鎳基堆焊層的強(qiáng)度。

（4）從試驗(yàn)結(jié)果可以得出，本工藝方案設(shè)計(jì)合理，接頭性能滿足設(shè)計(jì)要求，可以應(yīng)用于產(chǎn)品的施焊，成功解決了熱處理溫度差別大的兩種材料間的焊接和熱處理難題，是工藝制造的一次創(chuàng)新。