羅永飛1,李昊2

(1.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川 成都 611731；2.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自貢 643010)

摘要：低合金耐熱鋼12Cr1MoV焊接預(yù)熱溫度高，給生產(chǎn)應(yīng)用帶來不便，為解決此問題，提出了一種12Cr1MoV用新型焊條，焊條成分設(shè)計(jì)中采用低碳加鎢的方式解決強(qiáng)度與韌性的匹配問題。對(duì)焊條進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果顯示焊條具有12Cr1MoV耐熱鋼相當(dāng)?shù)某亓W(xué)性能和高溫持久強(qiáng)度；同時(shí)焊條具有高的抗裂性，在室溫(20 ℃)下對(duì)厚度超過8 mm以上的12Cr1MoV耐熱鋼焊接可不預(yù)熱，且不需要后熱消氫。該焊條已在產(chǎn)品生產(chǎn)中得到應(yīng)用，具有較好的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：新型；焊條；低碳加鎢；強(qiáng)韌性

0 前言

隨著燃煤發(fā)電鍋爐參數(shù)和容量的不斷提升，鍋爐用低合金耐熱鋼管12Cr1MoV壁厚隨之不斷增加，特別是集箱筒身用管最厚已達(dá)到145 mm。此外，集箱筒身布滿大小管接頭后耳板等承壓承力件，進(jìn)一步加劇了集箱角焊縫的拘束度。高拘束度厚壁集箱角焊縫焊接面臨諸多問題，而焊接冷裂紋的問題尤為顯著。工程中焊接冷裂紋問題的主要是通過預(yù)熱來解決，12Cr1MoVG材料有標(biāo)準(zhǔn)推薦預(yù)熱溫度不小于120 ℃，也有推薦預(yù)熱溫度200～250 ℃。

對(duì)于厚壁集箱預(yù)熱，主要采用天然氣火焰、內(nèi)置式電加熱器和感應(yīng)加熱器。采用天然氣火焰加熱操作較為方便，但工作條件惡劣，同時(shí)厚壁集箱加熱時(shí)間長且難以保溫。若采用內(nèi)置式電加熱器或感應(yīng)加熱器，雖然比天然氣火焰加熱要快，但是設(shè)備能耗高，且準(zhǔn)備時(shí)間較長，使用不方便。集箱管接頭的焊接主要采用焊條電弧焊，按照焊接材料匹配選材原則，12Cr1MoV厚壁集箱焊接選用耐熱鋼焊條R317(E5515-1CMV)，焊前預(yù)熱200～250 ℃。為了解決12Cr1MoV集箱焊接預(yù)熱問題，提出了一種新型高韌性焊條R317WHR，采用該焊條在室溫下焊接厚壁12Cr1MoV集箱可不預(yù)熱。

1 開發(fā)思路及技術(shù)路線

預(yù)熱的目的是避免焊接冷裂紋，如果降低預(yù)熱溫度或不預(yù)熱，則需要考慮提高焊接過程中接頭焊接冷裂紋敏感性。影響焊接冷裂紋的三要素是結(jié)構(gòu)的拘束度、擴(kuò)散氫與淬硬組織，在集箱結(jié)構(gòu)不變的情況下，焊條開發(fā)需從擴(kuò)散氫和焊縫組織入手，同時(shí)考慮熔敷金屬強(qiáng)度與韌性匹配、高溫持久強(qiáng)度匹配、高溫抗氧化性[1]匹配等問題。焊縫組織由成分決定，工程上從成分角度評(píng)估材料冷裂紋敏感性主要通過冷裂敏感指數(shù)Pcm和碳當(dāng)量Ceq。

基于以上考慮，提出了12Cr1MoV新型超低氫高韌性耐熱鋼焊條的基本思路：

(1)控制焊條的擴(kuò)散氫含量，達(dá)到超低氫HDM≤5 mL/100 g(IIW規(guī)定，水銀法或氣相色譜法)。

(2)降低焊條熔敷金屬元素碳(C)，控制鉻(Cr)、鉬(Mo)、釩(V)的含量，即實(shí)現(xiàn)降低焊條熔敷金屬冷裂敏感指數(shù)(Pcm)和碳當(dāng)量(Ceq)，提高焊條的抗冷裂性和韌性。

(3)嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素硫(S)和磷(P)的含量，增強(qiáng)晶界結(jié)合強(qiáng)度，降低焊條的熱裂紋傾向，提高焊條的抗熱裂性。

(4)由于降低了C和控制了Cr，Mo，V等元素的含量，勢(shì)必引起焊條熔敷金屬持久強(qiáng)度的下降，為了彌補(bǔ)持久強(qiáng)度的下降，所以在焊條中加入適量的金屬元素鎢(W)，利用W、Mo聯(lián)合固溶強(qiáng)化，確保新焊條在560 ℃以下高溫持久強(qiáng)度不低于12Cr1MoV鋼的要求，同時(shí)兼顧焊條熔敷金屬的抗氧化性。

(5)新焊條應(yīng)具有良好的焊接工藝性，如飛濺少，易脫渣等。

整理上述思路，獲得圖1所示的技術(shù)路線。

R317WHR焊條焊芯采用H08A材質(zhì)盤元，與R317一致，熔敷金屬合金成分的調(diào)整主要通過藥皮成分調(diào)整實(shí)現(xiàn)， R317WHR焊條熔敷金屬成分范圍與R317對(duì)比見表1。

圖1 技術(shù)路線圖

表1 熔敷金屬成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

化學(xué)成分CSiMnPSCrMoVWR317WHR≤0.06≤0.50≤0.90≤0.015≤0.0100.80～1.250.30～0.550.10～0.300.10～0.60R3170.05～0.12≤0.60≤0.90≤0.025≤0.0150.80～1.500.40/0.650.10/0.35—

表2 力學(xué)性能及熱處理制度

化學(xué)成分抗拉強(qiáng)度Rm/MPa屈服強(qiáng)度Rp0.2/MPa斷后伸長率A(%)常溫焊縫沖擊吸收能量KV/J焊后熱處理/(℃×min)R317WHR≥540≥440≥17≥47(730±15)×60R317540～660≥440≥20≥47(730±15)×60

2 焊接試驗(yàn)驗(yàn)證

在確定焊材配方及熔敷金屬成分后，對(duì)焊材性能進(jìn)行測試驗(yàn)證，主要包括典型組分的常溫力學(xué)性能，擴(kuò)散氫含量，冷裂紋敏感性和高溫持久性能。

2.1 典型組分的常溫力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)表1熔敷金屬成分范圍要求，試制了多批次規(guī)格為φ4.0的R317WHR焊條，并且按GB/T 5118《熱強(qiáng)鋼焊條》的要求進(jìn)行了熔敷金屬力學(xué)性能試驗(yàn)，焊后熱處理730±15 ℃/120 min，熔敷金屬化學(xué)成分見表3，常溫力學(xué)性能見表4。試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著合金元素含量的降低，特別是隨著強(qiáng)化元素C, W的下降，熔敷金屬強(qiáng)度下降，接近標(biāo)準(zhǔn)下限但符合標(biāo)準(zhǔn)要求，延伸率和沖擊值大幅提高，改進(jìn)后R317WHR焊條韌塑性遠(yuǎn)高于改進(jìn)前R317焊條標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 熔敷金屬化學(xué)成分(%)

編號(hào)CSiMnPSCrMoVW10.050.290.590.0110.0061.050.490.160.4320.050.290.650.0120.0071.060.510.190.4330.030.340.530.0070.0050.960.450.170.3840.020.320.640.0080.0041.080.320.130.19

表4 常溫力學(xué)性能

編號(hào)屈服強(qiáng)度ReL/MPa抗拉強(qiáng)度Rm/MPa斷后伸長率A(%)沖擊吸收能量KV/J1495,515595,61023.0,21.5153,157,161,153,1692510,525600,61023.5,23.5204,210,134,222,1023500,510585,62023.0,21.5159,160,180,151,1834440,455540,56027.0,27.0240,254,260,270,258R317標(biāo)準(zhǔn)要求≥440≥540≥17≥47

2.2 擴(kuò)散氫測定

選擇表3中典型成分3號(hào)焊條，根據(jù)GB/T 3965—1995《熔敷金屬中擴(kuò)散氫測定方法》，烘干380 ℃×2 h，采用氣相色譜法測得焊條熔敷金屬擴(kuò)散氫含量為3.34 mL/100 g，3.25 mL/100 g，3.93 mL/100 g，4.20 mL/100 g，都在超低氫規(guī)定范圍內(nèi)(HDM≤5 mL/100 g)。

3號(hào)焊條烘干380 ℃×1 h，采用甘油法測得焊條熔敷金屬擴(kuò)散氫含量為0.58 mL/100 g，1.02 mL/100 g，也在超低氫規(guī)定范圍內(nèi)(H≤2 mL/100 g)。

2.3 斜Y小鐵研試驗(yàn)

選擇表3中典型成分2號(hào)焊條，根據(jù)GB4675.1《焊接性試驗(yàn) 斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》，采用12Cr1MoV鋼，試板厚度為40 mm制備斜Y小鐵研標(biāo)準(zhǔn)試件，每個(gè)編號(hào)焊接2組試件。試件在放置48 h后，試驗(yàn)焊縫檢驗(yàn)結(jié)果見表5，只有C試件預(yù)熱溫度≤5 ℃時(shí)，出現(xiàn)裂紋，其余試件斷面和根部都無裂紋。試驗(yàn)結(jié)果表明：在不低于10 ℃的常溫環(huán)境條件下(標(biāo)準(zhǔn)要求焊接作業(yè)環(huán)境溫度)， R317WHR焊條焊接厚壁12Cr1MoV鋼不會(huì)出現(xiàn)焊接冷裂紋。

表5 小鐵研檢驗(yàn)結(jié)果

編號(hào)預(yù)熱溫度/℃表面檢查5個(gè)斷面檢查A10～15無裂紋無裂紋B10～15無裂紋無裂紋C≤5無裂紋貫穿性裂紋2條D≤5無裂紋無裂紋E20～25無裂紋無裂紋F20～25無裂紋無裂紋G45～48無裂紋無裂紋H45～48無裂紋無裂紋

2.4 焊條熔敷金屬和接頭高溫(560 ℃)持久強(qiáng)度試驗(yàn)

選擇表3中2號(hào)焊條，焊接12Cr1MoV鋼對(duì)接接頭試板2組，焊前不預(yù)熱(常溫20 ℃)，焊后熱處理(730±15) ℃×2.5 h，經(jīng)過超聲波(UT)Ⅰ級(jí)+射線(RT)Ⅱ級(jí)+磁粉(MT)Ⅰ級(jí)檢查，對(duì)接接頭焊縫合格。選取一組試板，沿焊接方向、同一軸線上取3根熔敷金屬試棒；另一組試板，在試板1/2厚度位置，沿試板寬度方向取3根焊接接頭試棒，按照GB/T 2039—1997《金屬拉伸蠕變及持久試驗(yàn)方法》開展熔敷金屬及焊接接頭的持久試驗(yàn)。熔敷金屬持久試驗(yàn)后試樣照片如圖2所示，焊接接頭持久試驗(yàn)后試樣照片如圖3所示試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖2 熔敷金屬

圖3 焊接接頭

圖4 焊縫金屬和接頭持久強(qiáng)度曲線

試驗(yàn)結(jié)果顯示，熔敷金屬高溫持久強(qiáng)度遠(yuǎn)高于焊接接頭高溫持久強(qiáng)度，焊接接頭試樣全部斷裂于12Cr1MoV母材，反映R317WHR熔敷金屬持久強(qiáng)度高于母材持久強(qiáng)度。

3 實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證R317WHR的冷裂紋抗裂性，開展了產(chǎn)品工藝模擬焊接試驗(yàn)，驗(yàn)證了與產(chǎn)品一致的應(yīng)用條件，分為集箱筒身對(duì)接環(huán)縫，大管接頭與筒身角接縫，小管接頭與筒身角接焊縫。模擬件焊接及檢驗(yàn)如表6所示，對(duì)不同類型接頭焊接完成后放置24 h，探傷未發(fā)現(xiàn)任何缺陷。進(jìn)一步考察焊縫內(nèi)部質(zhì)量，對(duì)不同接頭取金相試樣進(jìn)行檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)任何缺陷。

按NB/T47016要求對(duì)兩隊(duì)環(huán)縫試樣進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如表7所示，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 模擬試件焊接及檢驗(yàn)情況(室溫)

材料規(guī)格/mm2接頭類型焊接方法試樣數(shù)量探傷方法探傷結(jié)果金相檢驗(yàn)?273×45+?127×20角接手工鎢極氬弧焊+焊條電弧焊2100%UT+MT無缺陷無缺陷?273×45+?50.8×9角接焊條電弧焊4100%MT無缺陷無缺陷?273×45+?273×45對(duì)接手工鎢極氬弧焊+焊條電弧焊2100%UT+MT無缺陷無缺陷

表7 環(huán)縫試樣接頭力學(xué)性能

抗拉強(qiáng)度Rm/MPa斷裂位置彎曲試驗(yàn)(α=180°,d=4t)常溫焊縫沖擊吸收能量KV/J545,545,570,550母材側(cè)彎,未裂焊縫:116,96,78 HAZ:252,292,296母材:296,296,290560,550,535,550母材側(cè)彎,未裂焊縫:134,135,110HAZ:296,296,290母材:290,296,296

產(chǎn)品模擬試驗(yàn)過程表明，在室溫(≥20 ℃)的條件下，R317WHR焊條不論是用于12Cr1MoV鋼對(duì)接焊，還是應(yīng)用12Cr1MoV鋼角接焊，焊接接頭均不會(huì)產(chǎn)生冷裂紋，且接頭力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)語

通過上述電站鍋爐高溫承壓件12Cr1MoV鋼常溫(20 ℃)焊接用R317WHR焊條的開發(fā)過程以及各項(xiàng)數(shù)據(jù)，可以得到以下結(jié)論和啟示：

(1)開發(fā)的R317WHR焊條可在常溫(20 ℃)環(huán)境下焊接12Cr1MoV鋼，不需要焊后后熱消氫。

(2)電站鍋爐承壓件用焊材開發(fā)不僅要進(jìn)行焊接工藝性和常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)，而且還應(yīng)進(jìn)行抗裂性和高溫持久強(qiáng)度等試驗(yàn)。

(3)高校、焊材企業(yè)和應(yīng)用企業(yè)應(yīng)緊密合作，各用所長，有利于新焊材的開發(fā)，文中焊材開發(fā)過程，為更高參數(shù)電站鍋爐用焊材順暢研發(fā)有較好的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)編. 焊接手冊(cè)(第2卷):材料的焊接(第3版)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

羅永飛簡介： 1989年出生，大學(xué)本科,高級(jí)工程師，中國焊接協(xié)會(huì)第七屆理事會(huì)理事;主要從事鍋爐方面的焊接工作。

Manufacture and applied research of high toughness welding electrode R317WHR for 12Cr1MoV steel

Luo Yongfei1,Li Hao2

(1.Dongfang Boiler Group Co.,Ltd.,Chengdu 611731，China;2.Atlantic Sichuan welding material Co.,Ltd.,Zigong 643010,Sichuan, China)

Abstract：The welding preheating temperature of 12Cr1MoV low alloy heat-resistant steel is high, which brings the inconvenience to fabrication. A new type of welding electrode is proposed for 12Cr1MoV heat-resistant steel, which contains low carbon plus tungsten to realize the proper match between strength and toughness. The results of the tests conducted for such kind of electrode show that 1) the electrode’s mechanical properties at room temperature and creep rupture strength are equivalent with those of 12Cr1MoV heat-resistant steel; 2) the electrode has high crack resistance property, leading to such advantage that welding of 12Cr1MoV heat-resistant steel (thickness more than 8 mm) with this kind of electrode under room temperature (20℃) requires no preheating and post heating (for hydrogen elimination). This kind of electrode has been applied in the products and it is worth of popularizing.

Key words：new type; electrode; low carbon and tungsten; strength and toughness

中圖分類號(hào)：TG422

收稿日期：2016-03-17