主蒸汽管插座与热电偶保护套管焊接工艺

2018-08-29 11:32马云
中文信息 2018年8期
关键词:金属材料

摘 要:在火电厂金属材料应用中,为了使机组部件在使用中既能保證性能稳定又节省材料,很多管道应用了异种成分或组织的材料。于是,异种钢的焊接也成了非常重要的问题。本文针对12Cr1MoV主蒸汽管道管座与1Cr18Ni9Ti热电偶保护套管异种钢接头焊接问题,提出了采用以CrNi-3高镍焊丝氩弧焊打底,奥307焊条电弧焊填充、盖面以及通过合理控制焊缝熔合比的焊接工艺。

通过这种焊接工艺对主蒸汽管道管座与1Cr18Ni9Ti热电偶保护套管进行焊接,不仅得到优质的焊接接头,又能使主蒸汽管道的安全运行得到保证。

关键词:金属材料 控制熔合比 异种钢焊接工艺

中图分类号:TM621 文献标识码:A 文章编号:1003-9082(2018)08-0-01

一、课题的提出

在我厂主蒸汽管道的定期检验工作中,发现主蒸汽管道的管座与热控温度原件保护套管的焊接接头有微裂纹缺陷,准备对套管进行更换,其中主蒸汽管插座的材质为12Cr1MoV低合金,规格为ф80×10mm,温度原件保护套管的材质为奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti,规格为ф80×10mm,其结构关系如图1所示,很明显这种焊接接头属于异种材料的焊接。其焊接工艺的正确、合理与否将直接影响主蒸汽管道的安全运行。

二、焊接性分析

1.Cr18Ni9Ti是一种应用很广泛的18-8型奥氏体不锈钢

具有良好的力学性能、较高的持久强度、良好的耐腐蚀性能和组织稳定性,冷变形能力好,在空气中有高的耐热稳定性。但是热导率小而线膨胀系数大,焊缝会产生大的拉应力,容易在焊缝和熔合线处产生热裂纹。在焊接工艺不合理的情况下会发生热裂纹等缺陷;12Cr1MoV属于珠光体耐热钢,该钢具有较强的热强性和持久塑性,抗氧化性能和焊接性能良好,但在焊接过程中焊缝和热影响区淬硬倾向大,近缝区容易被淬硬形成马氏体,从而产生残余应力;在高温下有很好的冲击韧性。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。

2.焊接接头的主要特点为

①因主蒸汽管道的管座与热控温度原件保护套管成分的不同导致的焊缝合金元素含量的不均匀;②因焊缝合金元素含量的不均匀导致焊缝金属金相组织的不均匀;③因焊缝金属金相组织的不平衡使得焊缝金属力学性能的不平衡,直接影响到焊接接头的持久强度。由于母材的金属组织和合金含量都不相同,导致接头焊接性非常复杂。④珠光体耐热钢12Cr1MoV和奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti的线膨胀系数和热导率不同,在焊接时不仅会产生较大的焊接残余应力,在高温热循环下还会产生大的热应力,特别是在温度变化时,由于热应力引起热冲击力,极易使焊缝形成热裂纹。⑤由于在焊接时的不均匀温度场和机组运行时的动态高温下,焊接接头的熔合线附近,碳由12Cr1MoV珠光体耐热钢侧向1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢侧焊缝扩散,使得在这一区域形成一层软化的铁素体脱碳层,因此导致熔合区焊缝金属强度下降,特别容易形成微裂纹;在奥氏体不锈钢侧形成增碳层而硬度增加,导致这一区域形成晶间腐蚀和应力腐蚀开裂。

三、焊接时存在的问题

1.马氏体组织由于硬而脆的特性,造成珠光体侧较大冷裂纹倾向。

2.不合理的焊接工艺容易使组织发生脆化。

3.由于异种钢焊接时工艺不合理容易出现碳迁移现象,在焊接接头两侧熔合线处形成过渡层,即在12Cr1MoV珠光体耐热钢侧母材上形成脱碳层,而在1Cr18Ni9Ti不锈钢一侧母材上形成增碳层。这种一软一硬的过渡区域造成焊接接头的力学性能极不稳定,很容易在应力作用下发生接头断裂。

4.珠光体耐热钢与奥氏体不锈钢线膨胀性能和导热性相差很大,焊后在焊接接头中易产生较大的残余应力,在长期高温运行时,容易产生疲劳裂纹。为了保证设备安全运行,必须保证焊接接头有优良的焊接质量,因此必须有一套合理的焊接工艺。

四、焊接工艺

1.焊接方法

为了获得优质的焊接接头,解决上述分析的各种问题,在焊接方法上采用手工钨极氩弧焊封底,焊条电弧焊填充盖面的焊接方法。

2.焊接材料

异种钢焊接的关键是焊接材料的选择。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,根据舍夫勒图来选择焊接材料,如图2所示。

2.1珠光体耐热钢和奥氏体不锈钢焊接时基本有质相同量的珠光体耐热钢和奥氏体不锈钢熔入焊缝金属。当不添加金属材料焊接时,图中之点a即为这两种钢相同质量分数混合后的成分,相当于待焊件的金属成分。通过控制焊缝熔合比,可以得到三种组织的焊缝金属:奥氏体加马氏体双相组织、单相奥氏体组织以及奥氏体加铁素体双相组织。奥氏体加马氏体双相组织由于性能相差较大,在组织应力影响下易形成热裂纹;单相奥氏体组织在热应力作用下也容易引起裂纹;而当焊缝金属组织为奥氏体加铁素体双相组织,其热裂倾向小,满足焊接接头的使用要求。所以,当焊材金属为f2,同时将熔合比控制在百分之三十以下,可以使焊缝得到理想的A+F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时方可避免焊缝出现马氏体组织。因此,选用与f2成分相当的高镍焊丝ERCrNi-3焊丝与A307焊条作为填充材料,见表1。

2.2焊接过程中使用,ERCrNi-3焊丝与A307焊条作为填充材料控制熔合比不能太小,否则易在组织中发生脆化现象。

2.3认真清理焊丝上的油绣污物,至露出金属光泽。焊条在烘箱内经过350--400℃烘干2h,保温30min, 使用时放在110℃保温筒内,随用随取。

3.焊前准备

采用如图3所示的单面V形坡口,以降低焊缝熔合比并且保证根部焊透。

3.1光体钢和奥氏体钢相焊接时,由于熔池表面张力的不同易造成电弧偏吹现象,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,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。采用机械方法制备坡口。

3.2认真清理焊口两侧及内外壁20mm范围内的油、漆、垢、锈等污物,直至露出金属光泽。

3.3真确选择焊接规范,焊接过程中必须控制其层间温度,层间温度不超过150℃。为了避免异种钢焊接接头产生晶间腐蚀和热裂纹等缺陷,在焊接时应该尽量选择小规范、焊速稍快。

3.4工艺参数选择及焊接操作要点

使用ERCrNi-3焊丝与A307焊条,必须严格控制焊接热输入。线能量太大,凝固过程中会促使形成过渡层和碳迁移过渡层的同时,会造成熔合比增加而不能形成奥氏体加铁素体双相组织;线能量太小,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,选择表2中的焊接工艺参数进行焊接。

①_x0001_打底焊时,采用碰撞引弧,内壁进行充氩保护。焊接电弧要短,喷嘴与焊件间距离小于10mm.应提前送气,滞后停气,收弧时注意填满弧坑,打底层要保证一定厚度。

②填充层的焊接应在打底层焊完后尽快进行,以免由于应力作用使打底层开裂。

③盖面层焊缝完成后,对12Cr1MoV钢侧焊缝进行适当的保温缓冷措施,以防止因冷却速度太快出现淬硬组织。

④由于在焊接过程中拘束度很小,焊缝一般不会出现冷裂纹,所以没有采用焊前预热措施,焊后一般不进行热处理。

五、質量检验

用上述工艺对焊口进行焊接施工,射线检验,结果未发现任何缺陷。

结语

经过检验及复检可以得出结论,采用ERCrNi-3焊丝打底,A307电焊条盖面,加大12Cr1MoV侧坡口的角度,采用小规范小电流,控制好层间温度和熔合比,不采用焊前预热和焊后热处理的方法,能够保证焊件的质量及安全运行。

参考文献

[1]钱昌黔.耐热钢焊接[M]. 北京:水利电力出版社,1988.

[2]周振丰,张文钺.焊接冶金及金属焊接性[M] 北京:机械工业出版社,1988.

[3]《火力发电厂焊接技术规程》DL/T869-2004.

作者简介:马云:(1975-),男,高级技师,助理工程师,长期从事燃煤火力发电厂金属焊接工作。

猜你喜欢
金属材料
长沙特耐金属材料科技有限公司
长沙特耐金属材料科技有限公司
长沙特耐金属材料科技有限公司
剧烈塑性变形制备的纳米金属材料的力学行为
金属材料焊接中的问题及对策
负载型纳米金属材料的最新研究进展
为金属材料披上“防护衣”——金属材料的腐蚀与防护研究
沈阳宇金属材料研究所
新型金属材料在现代城市建设中的应用
金属材料深冷处理发展概况探讨