焊接高级技师论文SA213-TP347H／12Cr1MoV异种钢焊接工艺摘要 电厂锅炉安装及检修过程中经常遇到屏式再热器的更换，对SA213-TP347H／12Cr1MoV异种钢焊接所遇到的问题以及所采取的改进措施和方法，直接影响到设备质量，为保证设备质量，进行焊接性分析通过选用合适的焊接材料，采用钨极气体保护的焊接工艺，获得了优良的焊接接头，提高了设备质量，保证设备的安全可靠运行，创造了良好的社会效益和经济效益，希望能为以后类似工程提供一些很好的借鉴关键词 SA213-TP347H；12Cr1MOV 薄壁管 异种钢 焊接工艺 1 前言电厂锅炉检修中，对锅炉原有屏式再热器进行局部更换成SA213-TP347H材质的屏管与集箱连接小管（材质为12Gr1MoV）相连接，屏式再热器管屏一共有54排每排20根管，每排间距300mm，管子间距15mm，焊口位置在穿顶棚管250mm处，规格为57.5×4.5在这管子密集焊接空间位置狭窄，每根管间焊口的填充和盖面都存在焊接‘盲区’、焊缝背面易过烧及氧化等不利因素增加了焊接施工的难度，对于这种焊接性能相对较差的异种钢的焊接，要保证质量需要有可行的焊接工艺和焊接方法。
2 钢材的焊接性分析2.1 SA213-TP347钢的焊接特点2.1.2 化学成份分析，SA213-TP347钢化学成份和机械性能如表1，由表中数据可见，SA213-TP347钢是奥氏体不锈耐热钢，属于18—8型铬镍奥氏体不锈钢，相当于我国的1Crl9NillNb奥氏体不锈耐热钢是根据Fe-Cr-Ni三元平衡图，当Cr含量大于或等于18%，Ni含量大于或等于8%，室温下可获得单相奥氏体的原理而发展起来的，我国俗称18-8钢由于此类钢组织为单相奥氏体，因此焊后无淬硬倾向但焊接时，却易出现晶间腐蚀、应力腐蚀开裂和焊接热裂纹其化学成分和机械性能如下表1表1SA213-TP347H钢的化学成分元素C(%)Si(%)Mn(%)Cr(%)Ni(%)P(%)S(%)含量0.04~0.07≤0.75≤2.0017.00~20.009.00~13.00≤0.030≤0.030SA213-TP347H钢的机械性能Re(MPa)Rm(MPa)A(%)≥205≥515纵≥352.1.2 晶间腐蚀，晶间腐蚀主要包括焊缝晶间腐蚀、热影响区(HAZ)敏化腐蚀和焊趾处刀状腐蚀无论哪种晶间腐蚀，均是由于在奥氏体晶粒周界首先发生碳的集聚，而后碳与铬相结合而形成Cr23C6或碳的铬化物，使晶间发生贫碳造成的。
此外，单相奥氏体焊缝金属呈发达的柱状晶，经敏化温度(450~850℃)后，出现的贫铬层可以贯穿晶粒之间而构成腐蚀介质集中的腐蚀通道，使不锈钢的耐蚀性下降避免晶间腐蚀应主要从以下两个方面入手：a.降低母材或焊材的含碳量，采用超低碳、低碳奥氏体钢和焊材，其次是在焊材或母材中加入一些稳定碳元素的合金元素，如Ti或Nb；b.从焊接冶金方面看，打散奥氏体焊缝金属中的柱状晶，形成双相组织2.1.3应力腐蚀开裂，奥氏体钢的导热性差、热膨胀系数大所引起的高残余应力是造成奥氏体钢应力腐蚀开裂的主要原因焊接残余应力的存在加速了腐蚀的速度，为此焊接时，应尽量降低残余应力2.1.4 焊接热裂纹，Cr-Ni奥氏体不锈钢焊接时有较大的热裂纹倾向，主要与以下因素有关：a.奥氏体钢的导热系数小和线膨胀系数大，在焊接局部加热和冷却条件下，接头再冷却过程中形成较大的拉应力焊缝金属凝固过程中存在较大拉应力是产生凝固裂纹的必要条件；b.奥氏体易形成方向性很强的柱状晶焊缝组织，有利于有害杂质的偏析而促使形成晶间液态间层，促使产生焊缝凝固裂纹；奥氏体钢及其焊缝的合金组成复杂，相互化合易形成低熔点共晶体，形成有害的液态间层另外，一些杂质元素容易产生偏析，也是促使产生熔点，共晶体的原因。
防止奥氏体不锈钢焊缝产生热裂纹的主要措施是选择合适的焊接材料，调整合金成分，使焊缝具有奥氏体和铁素体的双相组织，并限制焊接材料中的杂质元素的碳的含量2.1.5 焊材及工艺的选择，焊接材料的选用对于奥氏体不锈钢来说，为了保持足够好的抗腐蚀性和抗裂性，要求焊缝具有奥氏体和一定量的铁素体的双相组织，以保持金属的塑性韧性为此，焊接时选用含有稳定化元素的奥氏体钢焊条或焊丝，手弧焊时，可采用奥132、奥137；氩弧焊时，可采用焊丝ER347H(美产)或H1CrlNi9Nb(国产)以确保焊缝组织均为A+F，符合奥氏体不锈钢的焊接要求工艺及操作要点是小电流、快速焊、窄焊道，严格控制层间温度，氩弧焊时注意做好焊缝背面的充氩保护2.2 12Cr1MoV钢的焊接特点2.2.1 化学成份分析，、12Cr1MoV钢化学成份和机械性能如表2，由表中数据可见， 图1 12Cr1MoV金相组织 400×12Cr1MoV属于 1Cr-0.5Mo-V型耐热钢，通过金相分析，可确定它的金相组织为珠光体型，如图1所示，图中可见大块铁素体组织，细小碳化物在晶界和晶内沉淀由于Cr、Mo的加入，钢的抗氧化性、高温强度得到显著改善，少量的V可进一步增加钢的热强性。
根据国际焊接协会（IIW）所提出的碳当量公式：CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%)由表1的数据计算出12Cr1MoV的CE（IIW）约为0.52%，可见钢材焊接性比较差焊前需对焊件进行预热，焊后需对焊件进行热处理2.2.2 焊后冷裂纹的问题 12Cr1MoV钢属珠光体热强钢由于 12Cr1MoV钢是通过加入Cr、Mo合金元素进行固溶强化的，对钢在冷却时的奥氏体分解产生了强表212Cr1MoV钢的化学成分元素C(%)Si(%)Mn(%)Cr(%)Mo(%)V(%)P(%)S(%)含量0.08~0.150.17~0.370.40~0.700.90~1.200.25~0.350.15~0.30≤0.035≤0.03512Cr1MoV钢的机械性能Re(MPa)Rm(MPa)A(%)≥255471～638≥21烈的影响，致使钢的焊接性变差这种钢具有较大的淬硬倾向，焊后空冷得到的组织为珠光体+贝氏体若焊接时冷却速度稍快，可能出现少量马氏体，则极易形成淬硬组织，导致冷裂纹的产生。
冷裂纹产生是由以下三个主要因素综合的作用的结果：即淬硬组织、扩散氢含量和拘束应力由于焊缝或近缝区产生淬硬组织，在超过临界拉伸应力的作用下，经过一定的孕育期而产生裂纹其孕育期的长短主要取决于扩散氢含量和接头的拘束应力当焊缝中扩散氢的含量高，接头的拘束应力大时则孕育期短，甚至短至焊后立即产生裂纹当扩散氢含量降低而应力水平也低时则孕育期延长，甚至可以无限期延长，即裂纹实际不会发生因此，如果针对限制产生冷裂纹的上述因素，从技术和工艺上采取一些相应的措施，则冷裂纹是可以防止的如采用低氢型焊条并严格烘干，以保证焊缝金属中低的含氢量，焊前适当进行予热，焊接过程中保证焊接的层间温度，焊后缓冷，以改变焊接过程的热循环，降低接头的冷却速度，避免淬硬组织的产生，并有利于氢的逸出；因为冷裂纹是在某一低温的温度下出现的，保持温度不低于此值则裂纹即可避免此外、应尽量减小装配的附加应力及自重引起的弹性应力，焊后及时进行热处理以消除接头的残余应力2.2.3 再热裂纹的问题焊接接头在高温状态下，当应力松驰的时候接头具有较低塑性，而这种塑性的降低是和合金碳化物的析出有关再热裂纹产生的机理：由于晶间滑移变形产生的微小裂缝和因晶间蠕变引起的微小空穴是促使再热裂产生的重要因素。
而产生这种晶间滑移变形，其作用力必须大于能引起晶间滑移变形的临界应力，但同时必须小于能引起晶内滑移变形的临界应力如果在热处理过程中存在上述条件的话，则就会产生再热裂纹所以一般认为，凡能导致扩大晶间和晶内强度差别的因素，例如提高晶内固溶硬化或晶内析出硬化，能导致晶间脆化的晶间析出或钢中杂质的晶间偏析等因素，都可以产生再热裂纹所以认为，二次硬化元素在消除应力热处理时的时效析出而引起的二次析出硬化现象，即所谓晶内析出硬化，对产生再热裂纹有特别重要的作用对12Cr1MoV钢来说，在焊后消除应力热处理时二次析出所形成的密集的碳化物沉淀，就成了产生再热裂纹的主要原因因此，可以认为，如果在进行焊后热处理时不产生碳化物的二次析出现象则就能避免再热裂纹的产生2.3 SA213-TP347和12Cr1MoV焊接时存在问题由于TP347与12CrMoV二者化学成分有较大的差别，加之显微组织的截然不同，从焊接角度出发，属典型异种钢接头对于异种钢焊接接头来说,成分、组织、性能和应力等都是影响焊接质量的因素，主要出现以下问题2.3.1 珠光体钢母材对焊缝的稀释作用及熔合区生成马氏体过渡层，从而恶化了焊接接头的质量，容易引起裂纹。
2.3.2 熔合区的碳扩散，结果在靠近熔合线的珠光体母材上形成铁素体组织脱碳层而软化，在奥氏体焊缝一侧形成高硬度的增碳层2.3.3 焊接接头由于化学成分和金相组织不同，膨胀系数也不同，在焊接时会产生较大的残余应力由以上问题会导致焊缝的早期失效，所以需要选择合理的焊接工艺措施、焊接工艺参数和相匹配的焊接材料来克服和抑制以上问题从而获得满意焊接接头3 焊接方法和焊材电厂建设中，薄壁小管焊接通常采用手工钨极氩弧焊的方法焊接，采用手工钨极氩弧焊打底，手工钨极氩弧焊填充盖面通过焊接性的分析，选择超低碳、含有稳定碳元素的合金元素Nb或Ti和线膨胀系数接近于珠光体耐热钢的镍基合金型材料是（珠光体耐热钢/奥氏体不锈钢）这类异种钢焊接最理想的焊接材料，目的能抑制焊缝的熔合区中碳的扩散，改变焊接接头的应力分布从而改善了焊缝及熔合区的组织和性能，使用的焊材是ERNiCr-3，规格为φ2.4焊材化学成分和机械性能.如表3表3焊丝ERNiCr-3的化学成分元素C(%)Si(%)Mn(%)Cr(%)Ni(%)Nb(%P(%)S(%)含量0.002~0.0040.09~ 0.163.14~ 3.1520.20~ 20.6072.54~ 73.002.72~ 2.770.004~ 0.0050.002~ 0.008焊丝ERNiCr-3的机械性能Re(MPa)Rm(MPa)A(%)≥380620~750≥354 难点分析和相应措施由于屏式再热器管口的管壁较薄，壁厚为4.5mm，管子密集度大，焊口管与管之间仅为15mm，给施焊带来了很大的困难，在接头位置很容易产生过烧、未熔合、气孔等缺陷。
在平时安装中类似该部件都是作为攻关难点来焊接的，这就要求我们必须找出缺陷产生的原因，并选用合适规范，以确保此次检修的焊接质量4.1 困难分析通过大家分析后一致认为容易产生缺陷的主要原因是屏式再热器管口之间的距离较小（仅15mm），管排与管排之间太密集（仅可将头的前部探入），从而导致了焊接“盲区”，在该处的焊接头容易产生过烧和未熔合，如图2所示在正常氩弧焊时，钨极伸出瓷嘴3-5mm氩气保护状态为最好但为了让电弧作用到管口间隙最小的焊接“盲区”，只有将钨棒比正常情况下多伸出2mm左右，这样会使氩气对电弧熔化区域的保护减弱，从而易产生气孔再者，由于管壁薄，过烧、气孔、未熔。