PDF《T92/HR3C 异种钢焊接接头性能研究》

T92/HR3C 异种钢焊接接头性能研究 顾福明1 罗晓明1 叶上云2 杨振国3 1:上海市特种设备监督检验技术研究院 2:上海锅炉厂有限公司 3:复旦大学 摘要: 针对采用手工氩弧焊 GTAW 打底, 手工电弧焊 SMAW 焊接的 T92/HR3C 异种钢接头的组织性能进行了研究结果表明:焊接接头满足标准要求,具有良好 的力学性能,焊缝区是常温下整个接头中最薄弱的环节.

关键词:接头性能,异种钢焊接,T92,HR3C

0 引言 近年来:随着高参数、大容量超临界(USC)火电机组的大力推广,具有更高 热、更强性能的锅炉用新型耐热钢材料也得到了不断的发展.为满足使用温度可 达625℃以上,承受的压力上升到 30MPa的实际需要,在已有的 9-12%Cr马氏体 钢的基础上,通过调整材料的合金元素组分,添加微量合金元素等,开发了一系 列新型 9%Cr高铬马氏体耐热钢,诸如T91/P91 、T92/P

92、NF

616、HCM

12、AE911 等,用于制造电厂的主要设备部件.在国内,从上个世纪

七、八十年代开始从国 外引进了不少发电机组与相关技术.奥氏体耐热钢的热强性与高温抗腐蚀、氧化 性一般都优于马氏体等其他耐热钢种, 因此锅炉中运行条件最为苛刻的一些部件 目前仍主要采用奥氏体型耐热钢.其中,近些年研发出来的TP347HFG(TP347H 细晶,18Cr10NiNb) 、Super304H(18Cr9NiCuNbN) 、HR3C1 (25Cr20NiNbN) 等,在600~700℃的温度范围内仍然具有良好的高温蠕变强度和抗氧化能力.我 国华能 1000MW等级USC机组的末级过热器和末级再热器的主要材料, 就分别选 用了Super304H和HR3C. 因此研究T92 为代表的新型马氏体耐热钢与新型奥氏体 耐热钢间异种钢焊接问题显得至关重要, 其焊接接头在性能的可靠性对预防相关 事故的发生具有深远意义.本文对T92 与新型奥氏体耐热钢HR3C的异种钢焊接 接头进行了组织结构与性能的研究, 为其在USC机组中的安全可靠性应用提供理 论参考和依据.

1 注:HR3C为日本住友公司的商品名,ASME标准中牌号为TP310HCbN.

1、选材与试样制备 T92 与HR3C 母材的规格均为 OD 41.3*t

6 mm, 它们的化学成分及热处理 工艺见表 1.经金相试验打磨、抛光,并用苦味酸、盐酸、酒精、水的混合溶液, 及硫酸铜、盐酸、酒精混合溶液分别腐蚀 T92 与HR3C 母材,它们的显微组织 结构如图

1 所示.其中,T92 钢为典型的板条状马氏体显微组织,HR3C 则是明 显的块状奥氏体结构,晶粒度大小约为

7 级.通过上述试验可得,进行异种钢焊 接选用的 T92 与HR3C 母材都符合材料标准. 表1. T92 与HR3C 化学成分及热处理工艺 (wt %) 成分 C Cr Mo V Nb Ni Mn P S Si N Al W B T92 试样 0.11 8.76 0.36 0.21 0.059 0.25 0.46 0.016 0.002 0.39 0.044 0.01 1.63 0.0033 ASME SA-213 T92 0.07~ 0.13 8.50~ 9.50 0.30~ 0.60 0.15~ 0.25 0.04~ 0.09 ≤ 0.40 0.30~ 0.60 ≤ 0.020 ≤ 0.010 ≤ 0.50 0.03~ 0.07 ≤ 0.04 1.50~ 2.00 0.001~ 0.006 HR3C 试样 0.06 24.63 / / 0.49 20.29 1.24 0.012 0.001 0.39 0.24 / / / ASME SA-213 TP310HCbN ≤ 0.10 23.00~ 27.00 / / 0.20~ 0.60 17.00~ 23.00 ≤ 2.00 ≤ 0.030 ≤ 0.030 ≤ 1.50 0.15~ 0.35 / / / 热处理条件: T92:

1050 * ℃

20 min (正火) +

760 *60 min ( ℃ 回火) HR3C: 最低 1110℃固溶处理 (a) T92, 1500* (b) HR3C, 400* 图1T92 与HR3C 母材的显微组织结构 以ERNiCr-3 (INCONEL 82/182, Φ1.0mm) 为焊丝, 采用手工氩弧焊 GTAW 打底,手工电弧焊 SMAW 对异种钢接头进行焊接, 并在 760~770℃的温度范 围内焊后热处理

2 小时,以消除残余应力.ERNiCr-3 的化学成分见表 2. 表2. 焊丝 ERNiCr-3 的化学成分(wt %) 成分 C Mn Fe P S Si Cu Ni Ti Cr Nb+Ta ERNiCr-3 焊丝 0.030 2.90 1.30 0.004 0.001 0.04 0.01 72.5 0.31 20.0 Nb 2.40 ASME SFA-5.14 (AWS) ERNiCr-3 ≤ 0.10 2.5~ 3.5 ≤ 3.0 ≤ 0.030 ≤ 0.015 ≤ 0.50 ≤ 0.50 ≥ 67.0 ≤ 0.75 18.00~ 22.00 2.0~ 3.0

2、试验结果与讨论 焊后的 T92/HR3C 异种钢接头拉伸试样尺寸如图

2 所示.分别按 ASTM E8-04, E290-97a(2004) 和E92-82(2003)e2 标准对

4 组接头进行常温拉伸、弯曲 和硬度测试.同时,利用金相显微镜分别观察接头的五大区域,即T92 母材、 T92 HAZ、焊缝、HR3C HAZ 及HR3C 母材的显微组织结构. 图2T92/HR3C 异种钢焊接接头拉伸试样尺寸 2.

1、 力学性能测试 表3为T92/HR3C 焊接接头常温拉伸试验结果,拉伸断裂在焊缝位置,抗 拉强度符合标准要求,表4的弯曲性能试验结果,在弯面未发现裂纹产生.接头 的显微硬度分布如图

3 所示,可见焊缝硬度最低,两个热影响区硬度最高. 表3. T92/HR3C 焊接接头常温拉伸试验结果 抗拉强度 (σs, MPa) 试验编号 ① ② ③ ④ 平均 断裂位置

1 661

666 / /

664 焊缝

2 718

738 735

724 729 焊缝

3 675

694 698

686 688 焊缝

4 668

667 / /

668 焊缝 T92 标准 ≥

620 / HR3C 标准 ≥

655 / 表4. T92/HR3C 焊接接头常温弯曲试验结果 弯曲类型 测试条件 试样编号 测试结果

1 合格

2 合格

3 合格 面弯 D=4T, α=180° D=3T, α=50°

4 合格

1 合格

2 合格

3 合格 背弯 D=4T, α=180° D=3T, α=50°

4 合格 图3T92/HR3C 焊接接头硬度分布 2.2 金相组织检验 图4为T92/HR3C 焊接接头

5 个区的显微组织结构.如图 4(a)所示,与焊 接前的母材相比,T92 母材组织在焊后未发现明显的变化,依然是晶粒较细的板 条状马氏体结构.但在 T92 热影响区,可看到有发生明显粗化的索氏体板条, 见图 4(b), 板条宽度约为 T92 母材马氏体板条的

2 倍.图4(c)所示为 T92 热影响 区侧的焊缝熔合线,而焊缝的显微组织见图 4(d),从图中可看出,焊缝具有带状 的奥氏体组织结构,带宽约为 20μm.同样地,图4(e)为清晰的 HR3C 侧焊缝熔 合线.与图 4(g)所示的 HR3C 母材奥氏体结构相比,HR3C 热影响区的奥氏体晶 粒更为粗大,这也将造成这个区域硬度上升.上面所述的整个 T92/HR3C 焊接接 头5大区域的整体结构示意图可参见图 4(h). (a) T92 母材 (b) T92 HAZ (c) T92 HAZ 侧焊缝熔合线 (d) 焊缝 (e) HR3C HAZ 侧焊缝熔合线 (f) HR3C HAZ (g) HR3C 母材 (h) 焊接接头示意图 图9T92/HR3C 焊接接头金相组织 2.

3、结果分析 通常,焊接过程中产生的热量主要集中在接头两个热影响区.温度过高会 导致 T92 HAZ 的晶粒完成高温回复过程,使板条粗化,形成粗大的索氏体板条 基体, 这从图 4(b)中已得到证明. 同时, 这一由高温引起的晶粒粗化现象在 HR3C HAZ 也可观察到,见图 4(f).一般而言,晶粒粗化往往会造成材料的硬度上升、 韧性降低.对接头各区显微硬度测试结果也表明,T92 HAZ 与HR3C HAZ 的硬 度确实是最高的,分别达到了 222.5 与219.3 HV. 焊接采用的焊料为高镍焊丝 ERNiCr-3,镍含量高达 72.5%.因镍为奥氏 体形成元素,所以焊缝区的显微组织结构为条状的奥氏体,见图 4(d).并且,焊 料在焊接过程中经历了完整的熔融―结晶过程,奥氏体晶粒得到了充分的生长, 故而焊缝区的奥氏体晶粒也较为粗大.但由于镍元素本身的硬度与强度均不高, 造成焊缝区是常温下整个接头中最薄弱的环节. 表4及图

3 所示的显微硬度测试 与拉伸试验结果,均证明了这一点,即焊缝区的硬度是

5 个区域中最低的,并且 拉伸断裂位置也都发生在焊缝.

3、结论 (1) :对T92/HR3C 异种钢焊接接头拉伸试验、弯曲试验冲击试验,结果 表明焊接接头满足标准,具有良好的力学性能. (2) :T92/HR3C 异种钢焊接接头的显微硬度测试与拉伸试验表明焊缝区 是常温下整个接头中最薄弱的环节. 参考文献 1:李益民,史志刚,贾建民等. P91 主蒸汽管道焊缝断裂韧度与其它力学能的关 系[J]. 中国电机工程学报, 2005, 2(3): 153C157 2:瓦卢瑞克・曼内斯曼钢管公司. T92/P92 钢手册[A]. 超(超)临界锅炉用钢及焊接 技术论文集[C]. 电力行业电力锅炉压力容器安全监督管理委员会, 2005, 285C302 3:史春元, 田锡唐. 异种钢接头沿界面蠕变脆断的力学控制参量[J]. 焊接学报, 1995, 10(4): 185C189 4:张建强,吴苏,赵海燕等. 马氏体/贝氏体异种钢耐热钢焊接接头的力学性能 及界面失[J]. 机械工程学报, 2003, 2: 58C61 5:肖强,张建强,章应霖. 9Cr1MoVNbN/12Cr2MoWVTiB 异种钢焊接接头的力 学性能及界面失效行为研究[J]. 焊接技术, 2002, 4: 16C18 6:王亮,刘宗德,陈鹏等. T92 钢时效硬度变化实验及蠕变寿命预测研究[J]. 试 验研究, 2008, 125(3): 3C6