12Cr1MoV珠光体耐热钢管焊接工艺.doc

1Cr18Ni9Ti与12Cr1MoV异种钢接头焊接工艺12Cr1MoV珠光体耐热钢管焊接工艺叶剑文谢美琼（广州市锅炉压力容器监察检验所广东510050）（广州市番禺区职业技术培训中心）12Cr1MoV是我国使用广泛的珠光体耐热钢之一，主要用于制造管壁温度小于580的锅炉过热管、联箱和主汽管道。在12t/h双汽包横置式沸腾炉制造过程中，锅炉的蒸汽出口温度为450，最高工作压力为3.8MPa，按设计图纸要求采用12Cr1MoV珠光体耐热钢管（159mm×10mm）作为过热器联箱管，以满足产品的使用要求。1 焊接性分析12Cr1MoV珠光体耐热钢为低合金耐热钢，此类钢的Cr含量较高，在500-550时具有较高的热强性和持久强度。12Cr1MoV钢的化学成分及力学性能见表1。表112Cr1MoV珠光体耐热钢化学成分和力学性能化学成分/%力学性能CMnSiCiMoVSPb/MPas/ MPa5/%0.120.600.351.100.310.190.0130.02243621722注：表中数据为焊接试件母材复验结果由表1可见，12Cr1MoV钢的碳及合金元素含量较多，淬硬敏感性较大，易在焊缝及热影响区出现淬硬组织。在接头刚性及应力较大时，易产生冷裂纹。由于过热联箱是在较高温度下工作的受压元件，焊接时应采取必要的工艺措施，使焊接接头有足够的热强性能，保证过热联箱安全运行。2焊接工艺2.1焊接方法在蒸汽管道的管子对接时，对打底焊缝的质量要求较高，不仅要求焊缝熔透、背面齐平，还要求焊缝背面无渣或少渣，否则会影响设备的安全运行。因此，采用手工钨极氩弧焊（TIG）打底，手工电弧焊（SMAW）填充和盖面的焊接工艺方法。2.2坡口尺寸选用单面V形坡口，坡口尺寸见图1。用机械方法加工，应严格控制根部间隙和坡口钝边尺寸，以确保打底焊缝彻底熔透。图1坡口形式和尺寸2.3焊接材料选择手工钨极氩弧焊（TIG）选用:TIC-R31焊丝，焊丝直径为2.5mm。手工电弧焊（SMAW）选用:R307（E5515-B2）焊条，直径为3.2mm、4mm。2.4 焊接准备2.4.1 焊前准备1）焊前应把坡口两侧管子内外各2030mm范围打磨干净，直至露出金属光泽，确保无油渍、铁锈、水份、氧化物或其他有害的物质。2）氩弧焊用焊丝表面不得有油脂、铁锈等污物。电弧焊的焊条，在焊前须经350400烘干12h，且在120保温筒存放，随用随取。3）采用34块锲形块（材料与母材相同或接近）均为分布定位焊在坡口上，对接口必须平齐，错边量不得大于0.5mm，定位焊的焊材及焊接参数与正式施焊相同。并且在预热的状态下进行定位焊。2.4.2 焊前预热预热是珠光体耐热钢焊接的重要措施。预热可以减慢焊缝及热影响区的冷却速度，有利于避免产生淬硬组织，有助于焊接区的氢的逸出，防止产生焊接裂纹。由于 12Cr1MoV钢的碳含量及合金元素的含量较高，所以选择预热温度为200300，预热区域以焊缝为中心，两侧至少为100mm。在整个焊接过程中，应保持层间温度不低于预热温度。2.5焊接2.5.1焊接参数焊接12Cr1MoV钢时，应采用较小的焊接线能量，以减小焊接应力，减少焊接过热区宽度，细化品粒，提高焊缝金属的抗裂性能，焊接参数见表2。表2焊接参数焊接方法层次焊材牌号焊丝（条）直径/mm极性电流I/A电压U/V氩气流量Q（L.min-1）TIC1TIC-R312.5直接正接1051251012810SMAW2R307(E5515-B2)3.2直流反接1101302022-SMAW3-4R307(E5515-B2)4.0直流反接1601802224-2.5.2焊接操作12Cr1MoV钢的焊接，不但要严格控制焊接规范参数，而且焊接操作对焊接接头质量有着至关重要的影响。1)氩弧焊打底焊。将管件处于水平转动位焊接，焊接时采用短弧，焊枪尽可能与工件表面垂直，有利于氩气对焊接熔池的保护。焊枪和焊丝可稍作横向摆动，保证坡口两侧熔透。同时，要控制好熔池温度防止产生焊穿和焊瘤缺陷。在接头部位，要用手提砂轮打磨弧坑，将弧坑处的收弧裂纹和气孔等焊接缺陷清除，然后继续引弧焊接。2)焊条电弧焊填充焊。应采用短弧焊接，且热输入量不宜过大。若采用长弧焊接，不仅会出现电弧燃烧不稳定、熔深浅、熔化金属飞溅大及合金元素烧损加剧等问题，而且容易产生咬边、未焊透等缺陷，同时空气中的N2、O2等有害气体易进入熔池，在焊缝中形成气孔缺陷。焊接时焊条可作小月牙形运条，在坡口两侧要停留0.51S,焊接层间必须彻底清理焊渣,发现有气孔等焊接缺陷时,用手提砂轮将焊接缺陷除掉收弧时必须将弧坑填满，以免产生弧坑裂纹。各层间的接头应错开，不得有重叠。3)焊条电弧焊盖面焊。焊接电流比填充层稍小些，应选择正确的焊条角度，运条要均匀，防止在坡口边缘产生咬边缺陷。焊缝余高要控制在13mm，避免焊接接头在使用中产生应力集中。3焊后热处理12Cr1MoV钢的焊接接头，焊后需进行消除应力热处理，以消除或减少影响区出现的淬硬组织，增加塑性和韧性，有效地减少焊接残余应力，同时有利于扩散氢的逸出，从而减少冷裂纹倾向。所以，焊接结束时，应立即采用保温材料将焊缝和近缝区覆盖保温,使接头缓慢冷却.随后,再将焊件整体加热至720-760，恒温12h后,随炉冷却至室温。4焊接检验依照上述焊接工艺进行试件焊接，试件经外观检查、磁粉探伤和X射线探伤合格后，在试件上截取力学性能试样、金相检验试样进行检验。检验结果见表3。表3接头力学性能和金相组织接头力学性能金相组织b/MPas/ MPa断裂部位90º面弯90º背弯焊缝热影响区母材536388母材完好完好铁素体+回火索氏体少量魏氏体+铁素体+回火索氏体铁素体+珠光休5结论1）12Cr1MoV珠光体耐热钢管焊接必须控制好焊前预热、焊接规范参数、焊后热处理等环节。2）12Cr1MoV珠光体耐热钢管采用手工钨极氩弧焊（TIG）打底，手工电弧焊（SMAW）填充和盖面的焊接工艺是可行的，焊接接头能满足设备的使用要求。参考文献1 陈裕川.低合金结构钢的焊接.北京：机械工业出版社，1992.2 李俊林，等.锅炉用钢及其焊接.黑龙江：黑龙江科学技术出版社，1988.3 章燕谋.锅炉与压力容器用钢.陕西：西安交通大学出版社，1984.12Cr1MoV合金钢管的焊接工艺 工艺：12Cr1MoV钢中的Cr、Mo、V等强烈的碳化物形成元素有使接头过热区产生再热裂纹的倾向。坡口机加工后（焊接前）MT检查，无裂纹、无缺陷，焊前坡口及周围表面清理（油污、除锈等）至见金属光泽；坡口装配避免强制组对。焊接前整体或局部预热，焊缝两边各150mm范围内保证预热温度250300度；层间温度应在预热温度控制范围内。GTAW（纯Ar气体保护）：建议采用TIG-R31（含V）焊丝，直径2.5mm，电流100140A。如果有一定壁厚，管径不是很小的话，建议采取GTAW+SMAW。SMAW：焊条采用R337，规格可以按实际情况来定。焊接完成后清理飞溅，加热至350450，保温并缓冷的后热措施。12Cr1MoV最好采用相应成分的耐热钢焊条，如R310、R312、R317、R316Fe，焊前预热250350，焊后回火处理710750。焊补缺陷或焊后不能进行热处理时，也可采用奥氏体钢焊条，如A302、A307。这时，由于焊缝与母材膨胀系数不同，同时在长期高温工作时还可发生碳的扩散迁移现象，而易于导致在融合区发生破坏。所以，选用奥氏体焊条时要慎重。12Cr1MoV珠光体耐热钢管焊接工艺叶剑文谢美琼（广州市锅炉压力容器监察检验所广东510050）（广州市番禺区职业技术培训中心）12Cr1MoV是我国使用广泛的珠光体耐热钢之一，主要用于制造管壁温度小于580的锅炉过热管、联箱和主汽管道。在12t/h双汽包横置式沸腾炉制造过程中，锅炉的蒸汽出口温度为450，最高工作压力为3.8MPa，按设计图纸要求采用12Cr1MoV珠光体耐热钢管（159mm×10mm）作为过热器联箱管，以满足产品的使用要求。1 焊接性分析12Cr1MoV珠光体耐热钢为低合金耐热钢，此类钢的Cr含量较高，在500-550时具有较高的热强性和持久强度。12Cr1MoV钢的化学成分及力学性能见表1。表112Cr1MoV珠光体耐热钢化学成分和力学性能化学成分/%力学性能CMnSiCiMoVSPb/MPas/ MPa5/%0.120.600.351.100.310.190.0130.02243621722注：表中数据为焊接试件母材复验结果由表1可见，12Cr1MoV钢的碳及合金元素含量较多，淬硬敏感性较大，易在焊缝及热影响区出现淬硬组织。在接头刚性及应力较大时，易产生冷裂纹。由于过热联箱是在较高温度下工作的受压元件，焊接时应采取必要的工艺措施，使焊接接头有足够的热强性能，保证过热联箱安全运行。2焊接工艺2.1焊接方法在蒸汽管道的管子对接时，对打底焊缝的质量要求较高，不仅要求焊缝熔透、背面齐平，还要求焊缝背面无渣或少渣，否则会影响设备的安全运行。因此，采用手工钨极氩弧焊（TIG）打底，手工电弧焊（SMAW）填充和盖面的焊接工艺方法。2.2坡口尺寸选用单面V形坡口，坡口尺寸见图1。用机械方法加工，应严格控制根部间隙和坡口钝边尺寸，以确保打底焊缝彻底熔透。图1坡口形式和尺寸2.3焊接材料选择手工钨极氩弧焊（TIG）选用:TIC-R31焊丝，焊丝直径为2.5mm。手工电弧焊（SMAW）选用:R307（E5515-B2）焊条，直径为3.2mm、4mm。2.4 焊接准备2.4.1 焊前准备1）焊前应把坡口两侧管子内外各2030mm范围打磨干净，直至露出金属光泽，确保无油渍、铁锈、水份、氧化物或其他有害的物质。2）氩弧焊用焊丝表面不得有油脂、铁锈等污物。电弧焊的焊条，在焊前须经350400烘干12h，且在120保温筒存放，随用随取。3）采用34块锲形块（材料与母材相同或接近）均为分布定位焊在坡口上，对接口必须平齐，错边量不得大于0.5mm，定位焊的焊材及焊接参数与正式施焊相同。并且在预热的状态下进行定位焊。2.4.2 焊前预热预热是珠光体耐热钢焊接的重要措施。预热可以减慢焊缝及热影响区的冷却速度，有利于避免产生淬硬组织，有助于焊接区的氢的逸出，防止产生焊接裂纹。由于 12Cr1MoV钢的碳含量及合金元素的含量较高，所以选择预热温度为200300，预热区域以焊缝为中心，两侧至少为100mm。在整个焊接过程中，应保持层间温度不低于预热温度。2.5焊接2.5.1焊接参数焊接12Cr1MoV钢时，应采用较小的焊接线能量，以减小焊接应力，减少焊接过热区宽度，细化品粒，提高焊缝金属的抗裂性能，焊接参数见表2。表2焊接参数焊接方法层次焊材牌号焊丝（条）直径/mm极性电流I/A电压U/V氩气流量Q（L.min-1）TIC1TIC-R312.5直接正接1051251012810SMAW2R307(E5515-B2)3.2直流反接1101302022-SMAW3-4R307(E5515-B2)4.0直流反接1601802224-2.5.2焊接操作12Cr1MoV钢的焊接，不但要严格控制焊接规范参数，而且焊接操作对焊接接头质量有着至关重要的影响。1)氩弧焊打底焊。将管件处于水平转动位焊接，焊接时采用短弧，焊枪尽可能与工件表面垂直，有利于氩气对焊接熔池的保护。焊枪和焊丝可稍作横向摆动，保证坡口两侧熔透。同时，要控制好熔池温度防止产生焊穿和焊瘤缺陷。在接头部位，要用手提砂轮打磨弧坑，将弧坑处的收弧裂纹和气孔等焊接缺陷清除，然后继续引弧焊接。2)焊条电弧焊填充焊。应采用短弧焊接，且热输入量不宜过大。若采用长弧焊接，不仅会出现电弧燃烧不稳定、熔深浅、熔化金属飞溅大及合金元素烧损加剧等问题，而且容易产生咬边、未焊透等缺陷，同时空气中的N2、O2等有害气体易进入熔池，在焊缝中形成气孔缺陷。焊接时焊条可作小月牙形运条，在坡口两侧要停留0.51S,焊接层间必须彻底清理焊渣,发现有气孔等焊接缺陷时,用手提砂轮将焊接缺陷除掉收弧时必须将弧坑填满，以免产生弧坑裂纹。各层间的接头应错开，不得有重叠。3)焊条电弧焊盖面焊。焊接电流比填充层稍小些，应选择正确的焊条角度，运条要均匀，防止在坡口边缘产生咬边缺陷。焊缝余高要控制在13mm，避免焊接接头在使用中产生应力集中。3焊后热处理12Cr1MoV钢的焊接接头，焊后需进行消除应力热处理，以消除或减少影响区出现的淬硬组织，增加塑性和韧性，有效地减少焊接残余应力，同时有利于扩散氢的逸出，从而减少冷裂纹倾向。所以，焊接结束时，应立即采用保温材料将焊缝和近缝区覆盖保温,使接头缓慢冷却.随后,再将焊件整体加热至720-760，恒温12h后,随炉冷却至室温。4焊接检验依照上述焊接工艺进行试件焊接，试件经外观检查、磁粉探伤和X射线探伤合格后，在试件上截取力学性能试样、金相检验试样进行检验。检验结果见表3。表3接头力学性能和金相组织接头力学性能金相组织b/MPas/ MPa断裂部位90º面弯90º背弯焊缝热影响区母材536388母材完好完好铁素体+回火索氏体少量魏氏体+铁素体+回火索氏体铁素体+珠光休5结论1）12Cr1MoV珠光体耐热钢管焊接必须控制好焊前预热、焊接规范参数、焊后热处理等环节。2）12Cr1MoV珠光体耐热钢管采用手工钨极氩弧焊（TIG）打底，手工电弧焊（SMAW）填充和盖面的焊接工艺是可行的，焊接接头能满足设备的使用要求。参考文献1 陈裕川.低合金结构钢的焊接.北京：机械工业出版社，1992.2 李俊林，等.锅炉用钢及其焊接.黑龙江：黑龙江科学技术出版社，1988.3 章燕谋.锅炉与压力容器用钢.陕西：西安交通大学出版社，1984.Welding technology of different species of steels 1Cr18Ni9Ti and 12Cr1MoVZHOU Wen1Cr18Ni9Ti与12Cr1MoV异种钢接头焊接工艺周 文中国石化仪征化纤股份有限公司热电生产中心， 江苏仪征 211900摘要： 本文针对热电厂50MW机组中主蒸汽管道管座（12Cr1MoV）与热电偶保护套管（ 1Cr18Ni9Ti）异种钢接头焊接问题，提出了以钨极氩弧焊H1Cr25Ni13焊丝封底，手工电弧焊A307焊条填充盖面并适当控制焊缝熔合比的焊接工艺。实践证明，采用这种焊接工艺进行焊接，可以获得优良的焊缝，保证主蒸汽管道的安全运行。关键词： 热电厂机组 异种钢接头 焊接工艺- 4 -1 引言 在我厂2000年工业管道的定期检验工作中，发现主蒸汽管道的5只管座与热电偶保护套管的对接焊缝存在缺陷，准备对套管进行更换，其中管座的材质为12Cr1MoV，规格为80×10，套管的材质为1Cr18Ni9Ti，规格相同，其结构关系如图1所示，显然此种接头的连接属于异种钢的焊接。其焊接工艺是否合理直接影响主蒸汽管道的安全运行。2 焊接性分析图1 主蒸汽管道管座与热电偶保护套管连接示意图热电偶保护套管（1Cr18Ni9Ti）主蒸汽管道管座（12Cr1MoV）80×880×812Cr1MoV属于珠光体耐热钢，从多年的现场焊接情况看，出现的主要问题是在拘束应力较大的情况下冷裂纹的倾向较高；1Cr18Ni9Ti作为奥氏体不锈钢，在焊接工艺不合理的情况下会发生热裂纹等缺陷。当它们作为异种钢在一起焊接时，焊接接头的主要特点有如下诸方面：由母材和填充材料原始成分的不同导致的接头化学成分的不均匀；由接头化学成分的不均匀带来金相组织的不均匀；由金相组织的不均匀带来力学性能的不均匀，直接影响到接头的持久强度。由于各自的金属组织和化学成分都不相同，焊接性要复杂得多，焊接时有以下问题：焊缝容易出现硬脆的马氏体组织，珠光体侧冷裂纹倾向较大；焊接工艺不合理时容易使组织中相偏多，导致相脆化；焊缝出现凝固过渡层；焊缝边界（熔合线）两侧容易出现碳迁移过渡层，12Cr1MoV一侧母材上形成脱碳层，1Cr18Ni9Ti一侧母材上形成增碳层。由凝固过渡层和碳迁移过渡层形成的硬度突变现象对接头的工作性能是有害的，容易造成破坏。由于两种钢的线性膨胀系数相差很大，焊接时会产生较大的残余应力，在循环温度下工作时，容易产生疲劳裂纹。为了保证焊接质量，避免上述问题的出现，必须制定合理的焊接工艺。3 焊接工艺3.1 焊接方法为控制焊缝的熔合比以解决凝固过渡层和碳迁移过渡层问题并保证管道内壁清洁和焊缝根层质量，准备采用钨极氩弧焊打底，手工电弧焊盖面的焊接方法。3.2 焊接材料焊接材料的选择是异种钢焊接的关键。珠光体与奥氏体钢相连接的异种钢接头，一般是采用Cr-Ni奥氏体钢作为焊接材料，我们利用舍夫勒图来选择焊接材料（如图2所示）。048161220242832Ni当量（%）481216202428323640F+MM+FMFA+M0%5%10%40%80%100%f1f2s(f3)AA+FmaCr当量（%）图2 用舍夫勒图确定焊缝的组成m- 12Cr1MoV s- 1Cr18Ni9Ti a- m与s等量混合的组成在1Cr18Ni9Ti（s）和12Cr1MoV（m）焊接时有大体相当数量的s与m熔入焊接熔池。在未有焊条金属填充时，这两种钢同等比例混合后的成分，即为图中之点a，可以认为就是待焊母材。具有a成分的母材再与成分为f1（相当于25-20奥氏体钢）或f2（相当于25-13奥氏体钢）、f3（即点s，相当于18-8奥氏体钢）的焊条、焊丝金属相熔合后，即构成焊缝金属，具体组成应落在a点与上述各点的连线上，并取决于熔合比的大小。若焊材金属为f1，熔合比高达0.7时，焊缝仍然呈单相奥氏体组织，从抗热裂角度考虑，这种组织不理想；若焊材金属为f2，此时如果能将熔合比控制在0.3以下，可以使焊缝得到理想的A+F（+5%）双相组织，从而使焊缝的抗裂和抗腐蚀能力大大增强；若焊材金属为f3，此时只有当熔合比小于0.15时方可以避免焊缝出现马氏体组织，显然在上述两种焊接方法下，难度较大。因此，我们选用与f2成分相当的H1Cr25Ni13焊丝与A307焊条作为填充材料，见表1。应当指出，采用上述焊接材料时，熔合比也不能过小，否则焊缝组成靠近f2点，所得组织中相可能偏多，易于导致相脆化。焊丝使用前清除锈垢和油污，至露出金属光泽。焊条使用前在400烘箱内烘干2h，使用时放在100保温筒内，随用随取。表1 焊接材料化学成分（质量分数）（%）牌号化学成分（%）CMnSiCrNiA3070.150.52.50.9022.025.012.014.0H1Cr25Ni130.121.002.000.300.7023.026.012.014.03.3 坡口制备为降低焊缝熔合比并且保证根部焊透，采用如图3所示的单面V型坡口。需要说明的是，珠光体钢和奥氏体钢相焊接时，由于电弧磁偏吹现象的存在，在坡口完全对称的情况下，珠光体钢一侧的熔化量可能要大一些，图2中的a点还要向左侧移动一些，为了严格限制熔合比，适当增大了珠光体钢一侧的坡口角度。坡口的制备以机械方法进行，坡口处母材应无裂纹、重皮、毛刺等缺陷。焊口组装前将焊口两侧15mm范围内的油、漆、垢、锈等清理干净，直至发出金属光泽。 2235°图3 焊缝坡口示意图40°12Cr1MoV1Cr18Ni9Ti3.4 焊接规范及操作要点用上述焊接材料作为填充金属，对线能量的控制是严格的。线能量过大，会促使凝固过渡层和碳迁移过渡层的形成，同时，会造成熔合比增加而不能形成+双相组织；线能量过小，造成冷却速度增加，会促使珠光体侧生成马氏体而形成冷裂纹。综合上述两方面因素，我们选择表2中的焊接规范。表2 焊接规范层次焊接方法焊接材料型号规格/mm焊接电压U/V焊接电流I/A焊接速度 v/mm·min-1电流极性1TIGH1Cr25Ni13,2.010V80A40正接2SMAWA307,2.522V70A100反接3SMAWA307,3.222V90A110反接钨极氩弧焊打底时，采用接触引弧，管子内部充氩。焊接时采用短弧焊，焊嘴与焊件间距离不超过10mm。应提前送气，滞后停气，收弧时注意采用减小焊接电流、减慢焊速。打底层焊毕后尽快进行填充层的焊接，手工电弧焊时注意层间清渣，如有缺陷应立即铲除重新施焊。最后一道焊缝完成后，对珠光体侧焊缝采取适当的保温缓冷措施，防止出现淬硬组织。应该指出，由于焊缝是在拘束度很小的情况下完成的，12Cr1MoV侧焊缝一般不会出现冷裂纹，所以我们没有采用焊前预热措施，一方面避免了因预热引起的焊缝熔合比增加而得不到理想的+5%双相组织增加焊缝的热裂倾向，另一方面还可以避免因预热引起碳迁移过渡层宽度增加。另外需要说明的是对这一类焊缝不能采用焊后热处理的工艺措施，否则会因为碳迁移扩散问题导致焊缝组织严重恶化。4 质量检验 应用上述工艺对现场5只焊口进行焊接施工，按照DL/T5069-1996电力建设施工及验收技术规范（钢制承压管道对接焊接接头射线检验篇）标准进行100%射线检验，结果5只焊口未发现任何缺陷。2002年机组大修中对这5只焊口进行了复检未发现任何缺陷。5 结论 对1Cr18Ni9Ti 和12Cr1MoV异种钢进行焊接时应考虑以下要点： 采用高合金的焊接材料并注意控制焊缝的熔合比以获得理想的+5%双相组织； 严格控制焊接线能量，在焊缝不致因出现马氏体组织而产生冷裂纹的前提下，尽量减小线能量以减小碳迁移过渡层的宽度； 尽量不要采用焊前预热和焊后热处理的方法，避免恶化焊缝组织。参考文献1 钱昌黔. 耐热钢焊接. 北京. 水利电力出版社，19882 周振丰，张文钺. 焊接冶金及金属焊接性. 北京：机械工业出版社，19883 DL5007-92电力建设施工及验收技术规范-火力发电厂焊接篇4 DL/T5069-1996 电力建设施工及验收技术规范-钢制承压管道对接焊接接头射线检验篇作者简介：周 文（1974- ），男，工程师，现主要从事焊接技术工作。