1Cr11M oNiW 1VNbN钢堆焊司太立合金工艺

王红海，沈阳威，张仁军，吴海涛

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150046）

0 前言

受高速气流冲刷、震动、冲击等作用，汽轮机主蒸汽插管、阀座、阀碟等工件容易被损坏，影响机组正常运行并危及安全。设计中往往在插管、阀座、阀碟等工件表面堆焊司太立硬质合金，以增强其耐冲刷及抗震和耐冲击能力，提高工件的使用寿命，保证机组安全运行[1-2]。

1Cr11MoNiW1VNbN钢为马氏体耐热钢，合金元素含量高、碳当量大，焊接性差，焊接过程中需要严格控制焊接参数。司太立合金强度高、塑韧性差、导热率低、硬度高，焊接过程中极易出现焊接裂纹[3]。综合以上因素，在1Cr11MoNiW1VNbN钢上堆焊司太立合金难度大，需制定合理的焊接工艺以满足生产要求。在此通过研究焊材及本体焊材，选定理想的过渡层材料，制定合理的焊接规范，以期获得理想的司太立合金堆焊层。

1 1Cr11M oNiW 1VNbN钢材料性能

1Cr11MoNiW1VNbN钢为改进型12%Cr马氏体不锈钢，综合性能优越，除具有较高的热强性以及较好的减震性和抗松弛性能外，还具有较高的抗拉强度及屈服极限、良好的抗高温氧化和抗蠕变性能，广泛应用于汽轮机高温叶片、主汽阀阀座和紧固件，其化学成分和力学性能分别如表1、表2所示。该材料作为一种碳当量较高的马氏体钢，焊接时存在冷裂纹、接头脆化等问题，焊接及补焊会有一定的难度，需要采取一些措施。

表1 1Cr11M oNiW 1VNbN的化学成分%

表2 1Cr11M oNiW 1VNbN的力学性能

2 焊接方法

堆焊司太立合金可采用氧-乙炔气焊、钨极氩弧焊、焊条电弧焊和等离子弧焊等多种方法，各种方法各有优缺点。焊条电弧堆焊和氧-乙炔火焰堆焊生产效率较低，劳动环境差，对焊工技术水平要求苛刻；埋弧焊稀释率相对较高；激光、等离子弧等高能束焊以及摩擦堆焊具有工艺设备复杂、生产成本高的缺点。而钨极氩弧焊相对成本低，劳动环境好，堆焊质量优良，广泛应用于机械行业各种零部件的制造和修复中。另外，钨极氩弧焊没有电极熔化对弧长的影响，焊丝从侧面向电弧送进，不影响焊接电流。焊接工艺性能好，电弧燃烧稳定，无飞溅，可获得组织致密、性能优越的堆焊层。堆焊工艺参数一经确定，堆焊质量易于保证，可靠性高，且易于实现自动化[3]。故在此选用机动钨极氩弧焊设备进行堆焊试验，研究适用于钨极氩弧焊的试验工艺。

3 焊接材料的选择

3.1 司太立合金焊材的选择

选择常用的司太立6#为堆焊材料，其化学成分和力学性能如表3、表4所示。

表3 司太立6#合金的化学成分%

表4 司太立6#合金的力学性能一例[4]

3.2 过渡层的选择

对比表2和表4可知，1Cr11MoNiW1VNbN基材与司太立合金焊材间的强度虽然较接近，但延伸率差别很大，且两者的延伸率都不高，塑韧性差。1Cr11MoNiW1VNbN为马氏体钢，直接在其上堆焊司太立合金需要很高的预热温度，工艺复杂，且焊接过程中一旦产生较大的残余应力，热处理过程中升降温速度控制不严格，极易产生焊接裂纹[5]。为了避免上述问题发生，综合基材与焊材性能，选取ERNiCrMo-3焊材为过渡层焊材，ERNiCrMo-3的化学成分和力学性能分别如表5、表6所示。

选择ERNiCrMo-3作为过渡层的原因有：

表5 ERNiCrMo-3焊丝的化学成分%

表6 ERNiCrM o-3焊丝熔敷金属的力学性能

①镍基材料焊接性好，抗冷裂纹能力强，可不预热或低温预热焊接，减少司太立合金出现裂纹的几率，同时降低工艺难度；②镍基材料具有优良的塑、韧性，变形能力良好，可以缓冲机组运行过程中对合金层的冲击；③ERNiCrMo-3镍基高温合金具有较ENiCrFe-3更高的使用温度、更好的高温性能，且接近于1Cr11MoNiW1VNbN钢和司太立合金的强度。

4 焊接工艺试验

4.1 预热及层间温度

1Cr11MoNiW1VNbN钢焊接时需采用有效的预热措施来防止氢致裂纹的产生。堆焊ERNiCrMo-3预热温度为150～200℃，堆焊司太立合金的预热温度相对较高，试验证明理想的预热温度为大于等于315℃，层间温度控制在450℃以内。

4.2 焊接参数

焊接参数如表7所示。

表7 焊接参数

4.3 焊后热处理参数

焊后热处理是防止焊接延迟裂纹和改善焊接接头性能的重要措施。ERNiCrMo-3过渡层焊后将工件放在150～200℃炉中保温2 h开始升温，保温650℃×4 h，升降温速度小于等于55℃/h。过渡层焊后热处理工艺如图1所示。司太立合金焊后将工件放在温度高于315℃的炉中保温缓冷至100℃，在100℃保温2 h后开始升温，保温650℃×4 h，升降温速度小于等于55℃/h。焊后热处理工艺如图2所示。

图1 ERNiCrMo-3过渡层焊后热处理工艺

图2 司太立合金焊后热处理工艺

5 结果

5.1 焊后检测结果

过渡层及司太立合金焊后都进行渗透探伤及超声波探伤，试验结果合格，未发现裂纹、气孔等缺陷。

5.2 金相检验结果

过渡层及司太立合金焊后的微观金相图片如图3所示。

图3 堆焊后的微观金相结果（200×）

经宏观及微观金相检测，在过渡层与1Cr11MoNi W1VNbN母材之间、过渡层与司太立焊层之间以及司太立焊层等横截面处，均未发现裂纹等焊接缺陷，焊接结果合格。

5.3 硬度检查

各区域显微硬度结果如表8所示，司太立焊层硬度值满足司太立合金硬度要求。

表8 焊接接头硬度 HV

6 结论

（1）通过研究1Cr11MoNiW1VNbN母材、司太立合金焊材、ERNiCrMo-3焊丝的力学性能，确定用ERNiCrMo-3焊丝焊接过渡层再堆焊司太立焊层以提高工件质量的方案。

（2）通过试验制订详细的GTAW方法堆焊及热处理工艺，限定预热温度、热处理参数、焊接参数等关键工艺参数，获得满足使用要求的理想堆焊层，验证了焊接工艺的可行性，实现指导生产的目的。

[1]陈丽娟，孙忠民，张丽艳.超临界主蒸汽进汽插管堆焊司太立合金试验研究[J].汽轮机技术，2007，49（4）：314-316.

[2]赵健，刘霞，李玉艳.1 000MW汽轮机高压内缸硬质合金堆焊技术的应用[J].热力透平，2010，39（1）：79-81.

[3]李玉龙，禹业晓.TIG堆焊技术研究进展[J].电焊机，2012，42（12）：70-76.

[4]刘玉珍，桂业伟.司太立合金的性能及应用[J].机械工程材料，1992，16（6）：1-5.

[5]刘双明，裴玉冰，肖杰.汽轮机阀座堆焊开裂原因分析与对策[J].大型铸锻件，2012，7（4）：27-30.