HR3C与TP347HFG的焊接

陈建凯

广东台山平安五金制品有限公司

HR3C与TP347HFG的焊接

陈建凯

广东台山平安五金制品有限公司

本文通过对奥氏体不锈钢HR3C和TP347HFG的性能分析，阐述了HR3C与TP347HFG焊接存在的问题，并采取了行之有效的工艺措施，完成了HR3C与TP347HFG两种奥氏体不锈钢的氩弧焊焊接工艺评定，获得了优质接头。

HR3C；TP347HFG；奥氏体不锈钢

随着火力发电机组朝着大容量、高参数方向发展，对锅炉高温高压部件材质的要求越来越高。在Samcheok项目550MW锅炉过热器、再热器管道中，采用了蠕变强度和抗氧化性能高的HR3C和TP347HFG奥氏体不锈钢，根据设计要求，需要完成HR3C钢和TP347HFG异种钢的对接，之前我们没有焊接此种接头的经验，需要制定有效的焊接工艺以保证焊接质量。

1　HR3C、TP347HFG钢的性能、化学成分

1.1HR3C和TP347HFG钢的性能

HR3C钢管是日本住友研发的新型奥氏体耐热钢，在25Cr-20Ni （TP310）的基础上添加了一定量的Nb和N，利用弥散析出的微细的Nb的碳氮化合物和金属间化合物对25-20钢进行强化，使钢的高温强度、蠕变强度得到了很大的提高，是抗烟气腐蚀和内壁抗氧化性能更优异的钢材。

TP347HFG是铬镍铌奥氏体不锈钢。它利用微细的铌碳化物（NbC）的溶解和沉淀机理，采用较高的固溶处理温度的热处理工艺使得晶粒大大地细化。持久强度比ASME规范的规定值高约20%，具有较好的抗晶间腐蚀性能、良好的组织稳定性和更优异的抗氧化及剥离性能。主要用于制造亚临界、超临界压力参数的大型发电锅炉的高温段以及各种耐高温高压的管件等；对于承压部件，最高工作温度可达650℃；对于抗氧化部件，最高抗氧化使用温度可达850℃。

1.2HR3C和TP347HFG钢的化学成分

实验采用的HR3C化学成分如表1所示，TP347HFG的化学成分如表2所示。满足ASMESectionⅡA篇SA213所列化学成分范围。

表1　HR3C钢的化学成分w（%）

表2　TP347HFG钢的化学成分w（%）

2　HR3C和TP347HFG奥氏体不锈钢焊接存在的主要问题

HR3C和TP347HFG奥氏体不锈钢合金含量高，热传导性差，线膨胀系数大，焊接易产生拉应力。焊缝熔池黏性大，易产生焊缝根部内凹、未熔合、弧坑裂纹等缺陷。另外奥氏体焊缝产生方向性很强的柱状晶，促使有害杂质的偏析，易形成晶间液态薄膜。当在敏化温度区间450-850℃长时间停留时，会促使Cr23C6在晶界析出，降低耐蚀性。

3　焊接工艺的制定

3.1焊接设备

采用美国制MillerDimension562手工钨极氩弧焊机，高频起弧，水冷焊枪，具有升、降电流的脚踏控制开关。

3.2母材规格与试件数量

规格为Φ50.8mm×6.35mm的HR3C和TP347HFG钢管，各2件。

3.3焊接材料的选择

根据奥氏体不锈钢焊接材料的选择原则：根据钢的具体成分和服役条件以及对焊缝金属的性能要求选择焊接材料YT-304H，此类焊丝的主要化学成分Cr、Ni含量与HR3C和TP347HFG母材接近，且介于两者之间。焊丝中含有较多量的Mn，杂质元素S、P含量很低，能够降低焊缝出现热裂纹的倾向。焊丝中含有Nb，在焊接过程中会过渡到焊缝中去，Nb与C之间亲和力较强，会优先结合，从而抑制了Cr23C6在晶界的析出，提高了焊缝的耐腐蚀性能。

YT-304H全焊缝金属的抗拉强度为836MPa，伸长率31%，查询ASMESectionⅡA篇可以得知HR3C的抗拉强度为655MPa，伸长率35%，TP347HFG的抗拉强度为550MPa，伸长率35%，YT-304H全焊缝金属的伸长率与两侧母材接近，凝固时接头各部分变形均匀，残余应力较小，抗拉强度高于两侧母材，可以满足焊缝机械性能要求。

所以选择YT-304H焊丝作为填充材料，从化学成分和焊缝性能来看，都是比较合适的。

表3　YT-304H焊丝的化学成分W（%）

3.4焊前准备

3.4.1坡口加工和装配要求：

采用机械加工V形坡口，坡口角度40±2.5°，根部间隙1～3mm，不留钝边，管口错边量不得大于1mm。

3.4.2焊前清理

焊接前用不锈钢钢丝刷清除坡口附近的所有油脂、其它外来物。

3.5焊接工艺

采用钨极氩弧焊（GTAW），试件位置水平固定（5G），选用铈钨极，规格Ф3.2mm。保护气体和背气均为氩气，纯度≥99.99%。焊缝层道布置见图1，焊接工艺参数见表4。

图1

表4　HR3C与TP347HFG焊接工艺参数

3.6操作技术要点

（1）焊前充气为了避免焊缝根部氧化管内需加背气保护且必须保持至第二层结束。

（2）定位焊定位焊在12点位置，焊缝两端需磨成斜坡状。这样可以避免接头时产生未熔合或者收弧凹坑，定位焊的长度为15～20mm。

（3）预热及层道温度不需预热，为避免层间温度过高时产生晶间腐蚀和氧化，必须小道多层快速焊，层（道）间温度控制在≤150℃。

（4）每层填充厚度不超过3mm，焊道摆动宽度≤10mm。

3.7焊后热处理

根据ASMEⅠ，奥氏体不锈钢焊缝无需进行焊后热处理。

4　检验

4.1外观检查

两个试件焊缝余高1～2mm，焊缝及热影响区表面无裂纹、未熔合、夹渣、气孔等缺陷。满足ASMEIX要求。

4.2射线检查

两个焊接试件经射线探伤检验，均为1级，满足ASMEIX要求。

4.3机械性能检查

4.3.1拉伸试验

按照ASTME8《金属材料拉伸试验方法》进行焊接接头拉伸试验，拉伸试验结果见表5。结果符合ASMEIX的要求。

表5　焊接接头拉伸试验数据表

4.3.2弯曲试验

取4个试样按照ASTME190《焊缝导向弯曲试验方法》进行焊接接头弯曲试验，试样均未出现任何开裂。试验结果符合ASMEIX的要求。

4.4金相检查

对焊接试样进行宏观金相检查，焊缝区域均未见裂纹、疏松、气孔、无过烧组织及淬硬性马氏体组织，金相合格。

5　结语

HR3C与TP347HFG钢管用手工钨极氩弧焊焊接，只要采用行之有效的工艺措施，就可以得到具有良好强度和韧性的焊接接头。上述钨极氩弧焊工艺在车间现场焊接中得到成功应用，焊缝RT合格率达到98.5%以上，证明该焊接工艺是正确可行的。

［1］张佩良.浅谈HR3C的焊接［J］.超（超）临界锅炉用钢及焊接技术协作网第三次论坛大会论文集.2009.

［2］ASME锅炉及压力容器规范国际性标准Ⅸ.中国石化出版社.2010