T91与12Cr1MoV异种钢焊接分析

T91与12Cr1MoV异种钢焊接分析

邢新解

大唐洛阳首阳山发电有限责任公司 410329197610246014

摘要：在首阳山电厂30MW发电机组检修过程中，其锅炉的高温再热器管（T91钢），与低温段珠光体耐热钢12CrlMoV进行焊接，焊接难度大，通过焊接工艺评定试验，最后确定用高强配比的焊接材料进行焊接。结合焊接工艺实例，研究分析了T91与12Cr1MoV异种钢的焊接工艺原则，在焊材选择、工艺参数选择等方面作了详细论述，对今后类似焊接工程提供参考和借鉴。

关键词：异种钢； 焊接；工艺分析

现代工业中，异种钢结构得到越来越广泛的应用。火力发电机组随着各个部位工作温度的不同，相应地使用了不同化学成分和组织结构的钢材，因此必然会遇到异种钢的焊接问题。

在首阳山电厂30MW发电机组锅炉，其高温再热器管采用美国的新型耐热钢 SA213－T9l，与低温段珠光体耐热钢12CrlMoV进行焊接，焊接难度大，易出现缺陷。而关于与T91相匹配的异种钢接头，目前国内应用较少。通过焊接工艺评定试验，最后确定用高强配比的焊材进行焊接。

1 异种钢焊接

1.1 异种钢焊接的含义
异种钢焊接接头基本上可以分为两大类：一类为金属组织相同而化学成分不同，如低碳钢与低合金珠光体耐热钢的焊接；另一类为金属组织和化学成分都不相同，而且物理性能差别较大，如T9l与12Cr1MoV的焊接。综合来看。后者焊接时出现的间题较多。

1.2 异种钢焊接接头的特征及主要存在问题
1.2.1 化学成分的不均匀性
异种钢焊接时，由于焊缝两侧的金属和焊缝的合金成分有明显的差别，随着焊接工艺的不同，焊接熔池的形成就不一样，因而，母材的熔化量也将随之不同，最终造成整个焊接接头化学成分极不均匀，因而经常会带来一些严重问题，如奥氏体钢与非奥氏体钢之间的焊接容易在熔合区生成马氏体．在焊接中或使用中可能形成裂纹，使焊接接头破坏。又如焊接时熔合区的C发生扩散，金相组织呈现极大的不均匀性，由于热处理时长时间的高温作用、C扩散层明显，成为焊接中一个重要问题，因为它会大大降低异种钢接头的性能。
1.2.2 金相组织的不均匀性
焊接接头的化学成分不均匀，经过焊接热循环作用之后，焊接接头各区域也将出现不同的金相组织，往往在局部出现相当复杂的组织结构。由于母材和填充材料的化学成分不均匀，必然造成金相组织的不均匀，若能在工艺上适当调整，可以使焊接接头的组织不均匀程度得到一定的改善。
1.2.3 性能的不均匀性
焊接接头各区域化学成分和金相组织的差异，使焊接接头力学性能不同，沿接头各区域的室温强度、硬度、塑性、韧性都有很大的差别，高温下的蠕变极限和持久强度也会因成分和组织的不同，相差极为悬殊。对焊接接头影响最大的物理性能主要有膨胀系数和导热系数，它们的差异将在很大程度上决定着焊接接头在高温下使用的安全性。
1.2.4 应力场分布的不均匀性
异种钢焊接接头中焊接残余应力分布不均匀，这是因为接头各区域具有不同的塑性所决定的。另外，材料导热性的差异，将引起焊接热循环温度场的变化，也是残余应力分布不均匀的因素之一。由于异种钢焊接接头各区域的线膨胀系数不同，熔合线必然存在着热应力，理化性能相差越大，这种热应力也就越大，有可能成为接头破坏的主要原因之一。

2 T91与12Cr1MoV异种钢焊接工艺分析

2.1 T91钢是一种改进的9Cr1Mo钢，在美国材料试验学会（ASTM）和美国机械工程师学会（ASME）标准中，T91代表锅炉用小管子，属马氏体钢，具有良好的冲击性能和高温强度，目前，常用于火电厂锅炉过热器和再热器管等。
12CrlMoV钢是一种常见的珠光体耐热钢，应用广泛，常用来制造壁温≤580℃的高压、超高压锅炉过热器管、联箱和主蒸汽管道等，具有较好的焊接性能。对T91与12CrlMoV异种钢的焊接要依据马氏体钢与珠光体钢的焊接原则进行考虑。

2.2 焊接的工艺原则

异种钢焊缝与母材的化学成分、金相组织、物理性能及力学性能都有较大的差别，因此异种钢焊接要比同种钢焊接复杂得多。焊接时必须采取一定的特殊工艺措施才能获得满意的焊接接头。考虑异种钢焊接工艺时必须根据这些特定的条件来确定焊接方法、焊接材料、工艺参数以及其他的措施。
2.2.1 焊接方法的选择
常用的各种电弧焊接方法都可以进行焊接，但在火电建设工程中，管道的焊接常用手工钨极氩弧焊打底、焊条电弧焊盖面的焊接工艺，直径小于60mm的薄壁管也可考虑全部采用手工钨极氩弧焊工艺。
2.2.2 焊接材料的选择
正确地选择焊接材料是异种钢焊接时的关键，接头质量和性能与焊接材料关系十分密切。选择异种钢焊接材料的基本原则可归纳如下：
A. 在焊接接头不产生裂纹等缺陷的前提下，若不可能兼顾焊缝金属的强度和塑性，则应选用塑性较好的焊接材料。
B. 异种钢焊接材料的焊缝金属性能只需符合两种母材中的一种即认为满足技术要求。
C. 焊接材料应具有良好的工艺性能，焊缝成形美观。

D. 焊接材料应经济、易得。
但选择焊接材料应综合考虑上述各个方面，而不能简单依据某种原则。
异种钢焊接时有4种焊接材料可供选择：①与异种钢焊接接头合金质量分数较低的一侧母材金属成分相同的材料〔低匹配〕；②与异种钢焊接接头合金质量分数较高的一侧母材金属成分相同的材料（高匹配）；③介于异种钢焊接接头两侧母材金属中间成分的材料（中匹配）；④完全不同于异种钢焊接接头两侧母材金属成分的材料。
对于珠光体钢和马氏体钢的焊接，焊接材料的选用还没有一致的看法，目前国内虽然仍倾向于采用低匹配材料，但也有资料指出，有时这样反而会引起热影响区产生裂纹，所以对于马氏体钢与珠光体钢的焊接，其焊接材料的选择应综合考虑。
国外一些资料指出，1OCrMo910珠光体耐热钢与X20CrMoV121马氏体热强钢的焊接，选用X20CrMoV121类型的焊接材料焊接的异质接头要比用10CrMo910类型的焊接材料焊接的异质接头的塑性好，而其结论是推荐用X20CrMoV121类型的焊接材料。
另外，珠光体钢与马氏体钢异种钢焊接接头热处理时在熔合区可能发生C扩散，并留下一个C扩散层，如果用高匹配焊接材料进行焊接，则C扩散层转移到珠光体钢母材一侧。显而易见，珠光体钢有较好塑性，C扩散层即使在珠光体钢这一侧，其接头塑性也较好，利于提高接头的热强性。
国内一些资料表明珠光体钢与高Cr马氏体钢焊接时采用高匹配焊接材料，其接头的耐热、耐蚀性更好。
综上所述，对于T91与12Cr1MoV异种钢焊接采用高匹配焊接材料应是较好的选择。
2.2.3 玻口角度
异种钢焊接时确定坡口角度的主要依据除母材厚度外，还有母材在焊缝金属中的熔合比。一般说来，坡口角度越大，熔合比越小，坡口角度越小，熔合比越大。异种钢多层焊时，确定坡口角度要考虑多种因素的综合影响，但原则上是希望熔合比越小越好，因为这样可降低母材对焊缝金属合金成分的稀释作用，使焊缝金属的化学成分和性能比较稳定，波动较小。
2.2.4 焊接工艺参数
由于在火电建设工程中管道焊接常用Ws／D或Ws的方法进行焊接，而Ｄ和Ｗs可能获得的熔合比范围为2O％－30％和10％-100％。D的熔合比相对来说比较小，但Ws的熔合比范围较大，因而，控制好焊接工艺参数对降低熔合比有直接的影响，Ws／D为手工钨极氩弧焊打底，焊条电弧焊盖面；Ws为手工钨极氩弧焊；D为焊条电弧焊。）
焊接热输人越大，母材熔入焊缝越多，而焊接热输入又取决于焊接电流、电弧电压和焊接速度等工艺参数，因而在焊接时应在保征焊缝组织正常、熔合区硬化程度正常的前提下，采用小的参数以减少热输入，这样才能降低熔合比。
2.2.5 预热及焊后热处理
由于珠光体钢和马氏休钢都是淬硬钢，为防止冷裂，焊前一般都要进行预热。珠光体钢与马氏体钢焊接，预热温度应按马氏体钢选择，热处理工艺同样应按马氏体钢同类焊接接头的要求进行。如果有C扩散层发展的倾向，可按珠光体钢一侧同类焊接接头所要求的焊后热处理工艺进行。由于异种钢焊接的预热及焊后热处理对接头的性能影响极大，故进行预热及焊后热处理须慎重考虑。
A. 对热影响区软化层的影响
珠光体和马氏体耐热钢在焊接热影响区附近，均出现硬度降低的软化现象。在高温长时载荷条件下，焊接接头往往沿软化层破坏，软化层的轮廓正好与焊接过程坡口熔化时形成的轮廓相平行。实际情况中，从焊接工艺上应尽可能减小焊接热输入及降低预热温度。另外，焊后热处理的回火温度也不可过高。否则，会使软化层的软化程度更加严重。当然，热输入和预热温度也不可过小，否则，又会引起熔合区硬化严重，对提高韧性和防止裂纹不利。
B. 对焊缝及热影响区组织的影响
对于珠光体钢，如果选用较大的热输入进行焊接，则热影响区因晶粒长大而脆化，而焊后高温回火是不能改变这种不良组织状态的。对于马氏体钢，如果热输入过大。则在近缝区出现粗大的铁素体和碳化物组织，因而塑性和韧性显著下降，这种铁素体和碳化物的组织，仅通过高温回火是不能改善的。因此，预热温度不能过高。
在采用高匹配焊接材料时，必须焊后冷却到焊件转变成马氏体，随后才能进行回火处理，使整个焊接接头得到回火索氏体组织，保证焊缝和热影响区具有最好的性能。因此，要求焊后冷却到某一温度（该温度应低于Ms点）并保持一定时间后再进行回火处理，不允许冷到室温再进行回火，否则就有产生冷裂纹的倾向。回火温度要适当，偏低时得不到应有的效果，过高时，有可能再次发生奥氏体化，以致在冷却时再次淬硬。
C. 对C扩散层的影响
化学成分不同的材质所组成的异种钢焊接接头在焊后热处理时，某些合金元素，特别是C，将会发生扩散现象。由于C与Cr的亲和力很大，导致C的迁移,使金属组织产生不均匀性。一般来说，焊接接头的加热温度和在高温下的停留时间对C扩散层影响很大。在焊接时接头来不及发生C扩散，但在焊后热处理时，随热处理温度的升高和时间的延长，珠光体钢母材一侧产生铁素体脱C层而软化．并且脱C层的晶粒长大，而增C层中可能会析出碳化物，硬度提高。这样的焊接接头导致蠕变特性降低，高温下长期使用时在熔合区易产生显微裂纹。由此可见，对于异种钢焊接接头的焊后热处理要慎重考虑。

D. 对残余应力的影响
当异种钢母材的金相组织不同时，若仍按合金质量分数较高的钢种确定热处理工艺则可能有害无益，除因C扩散层发展的危险之外，还有残余应力的问题。
异种钢焊接接头的界面应力非常集中且比较大，在加热到高温时，借助于松弛过程，能降低焊接残余应力；在随后的冷却过程中，由于两侧材料物理性能的差异，不可避免地又产生了新的残余应力，所以焊后热处理并不能彻底消除残余应力，只能使残余应力重新分布，有时可能使接头局部应力升高而引发裂纹，这一点是与同类钢焊接接头根本不同的，因此，在焊后热处理时也要慎重考虑。
综上所述、珠光体与马氏体异种钢焊接中，预热温度和焊后热处理应在保证接头质量的前提下，采用较小的工艺参数比较合适。另外，在确定参数时，也必须考虑到焊件的拘束度及规格（壁厚）以及焊接方法。相对来说，拘束度越大，规格（壁厚）越大，工艺参数也就应选偏高一些，反之，则应选偏低一些。在焊接方法上，当用钨极氩弧焊对管子进行打底焊时，通常允许采用较低的预热温度，因为该焊接方法焊工可在焊前适当运用氩弧以及通过调节焊接速度进行控制，达到一定的预热效果、降低预热温度能较好地控制打底焊的成形和减少过大的熔深。

3 异种钢焊接生产工艺

焊接方法：手工钨极氩弧焊；接头形式对接；母材为SA213-T91钢与12Cr1MoV钢，Φ42 mm × 4mm，焊接材料为H10CrMoA、Φ2.5 mm。
工艺参数：焊接速度为42—48mm／min；焊接电流为96—110 A；电弧电压为 10－13 V；预热温度为250—300℃；道间温度为25O～300℃。
保护气体：Ar，流量8一10 L／min。
焊后进行740—760℃高温回火，保温45 min。
4 结语

通过以上分析可知，T91与12CrlMoV异种钢焊接性较差，必须严格执行工艺措施，才能保证获得最佳性能的接头，在焊接中尤其须注意以下几个方面。
（1）焊接材料采用高匹配材料应是较好的选择。
（2）工艺参数的选择主要是防止热输入过大，以免加大软化程度、C扩散层的发展以及产生铁素体及碳化物组织。
（3）在实际生产中，必须结合具体条件，对每个焊接工艺参数慎重考虑。必要时，先进行工艺试验，然后再正式焊接。
（4）采用上述工艺焊接的异种钢焊缝，机组实际运行至今工作状况良好，说明该工艺可行，为今后类似异种钢接头的焊接提供了借鉴。