SUPER304H新型奧氏體耐熱鋼的焊接工藝研究

——超超臨界機(jī)組新型鋼焊接技術(shù)介紹2007-11-27

為提高電站機(jī)組熱效率、降低煤耗和發(fā)電成本，減少SO2、CO2等污染氣體的排放量，世界各國(guó)均以發(fā)展大容量、高效率的超臨界甚至超超臨界機(jī)組為主要方向，以適應(yīng)環(huán)境保護(hù)和節(jié)約能源的要求。

超超臨界機(jī)組是當(dāng)代火力發(fā)電廠的共同發(fā)展趨勢(shì)，鍋爐是火電機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備，其蒸汽參數(shù)達(dá)到26.25MPa、600℃，這就要求開(kāi)發(fā)出耐高溫性能更好的耐熱鋼，目前，世界先進(jìn)國(guó)家普遍采用的是新型細(xì)晶強(qiáng)韌化鐵素體耐熱鋼和新型細(xì)晶奧氏體耐熱鋼，SUPER304H就屬于新型細(xì)晶奧氏體耐熱鋼，主要應(yīng)用于超超臨界鍋爐高溫過(guò)熱器、高溫再熱器等重要部件。一、概況2007-11-27SUPER304H是一種新型奧氏體型耐熱鋼，現(xiàn)主要應(yīng)用于超超臨界機(jī)組鍋爐高溫過(guò)熱器和高溫再熱器等重要部件。該鋼焊接時(shí)主要問(wèn)題是焊接熱裂紋和晶間腐蝕，通過(guò)焊接工藝評(píng)定獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，制定出了該鋼種的焊接工藝。為我公司即將開(kāi)始的海門(mén)、潮州以及即將興建的臺(tái)山、惠來(lái)、平海等1000MW超超臨界機(jī)組受熱面管子的焊接做好了充分的技術(shù)準(zhǔn)備。二、課題研究必要性2007-11-27SUPER304H鋼是日本在TP304H鋼中添加了3%Cu、0.4%Nb和一定量的N開(kāi)發(fā)出的新型鋼種，該鋼種具有極高的蠕變斷裂強(qiáng)度，在600~650℃下的許用應(yīng)力比TP304H高30%，而且組織性能和力學(xué)性能穩(wěn)定，是超超臨界鍋爐過(guò)熱器、再熱器的首選材料。

SUPER304H鋼的化學(xué)成分：2007-11-27三、SUPER304H鋼成份及特點(diǎn)化學(xué)元素CMnSiSP百分比Wt%0.07～0.13≤1.00≤0.030≤0.010≤0.040化學(xué)元素NiCrCuNbN百分比Wt%7.50～10.5017.0～19.02.5～3.50.3～0.60.05～0.122007-11-27四、SUPER304H焊接工藝難點(diǎn)分析1，焊縫熱裂紋問(wèn)題。2007-11-27四、SUPER304H焊接工藝難點(diǎn)分析2，晶間腐蝕問(wèn)題。這是奧低體不銹鋼最危險(xiǎn)的一種破壞形式。但是奧氏體不銹鋼不是任何時(shí)候都會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕，它與鋼的加熱溫度和加熱時(shí)間有關(guān)，產(chǎn)生晶間腐蝕的溫度為450~850℃（敏化溫度），尤其以650℃最為危險(xiǎn)。2007-11-27五、焊接工藝措施的確定實(shí)踐證明，焊縫組織中鐵素體含量在2~3%時(shí)，就足以防止產(chǎn)生熱裂紋，但是過(guò)多的鐵素體將使焊縫變脆，反而不利，通常鐵素體含量應(yīng)控制在5%以?xún)?nèi)。

針對(duì)SUPER304H焊接工藝難點(diǎn)，參考國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料，擬采取以下焊接工藝措施以獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭。1、采用含有Ti和Nb添加劑的焊材，可有效避免焊接熱裂紋的產(chǎn)生。2007-11-27五、焊接工藝措施的確定焊接工藝：采用含有Ti和Nb添加劑的焊材，在焊接工藝上，采用堿性焊條，小電流、快速焊，收弧時(shí)盡量填滿(mǎn)弧坑以及采用氬弧焊等都可以避免熱裂紋的產(chǎn)生。2、防止晶間腐蝕的措施。2007-11-27五、焊接工藝措施的確定2、防止晶間腐蝕的措施。2007-11-27五、焊接工藝措施的確定基本參數(shù)母材牌號(hào)：SUPER304H；規(guī)格：

φ48.26×7.9mm；焊接位置：6G；焊接方法：鎢極氬弧焊；焊絲：

YT-304H（φ2.4mm）；坡口型式：V型；2007-11-27六、工藝方案的制定注意事項(xiàng)為保證根部質(zhì)量，防止氧化，氬弧焊打底前先進(jìn)行管內(nèi)充氬氣保護(hù)；為了防止焊接接頭在敏化溫度范圍內(nèi)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而產(chǎn)生晶間腐蝕，并防止接頭過(guò)熱而產(chǎn)生熱裂紋，焊接時(shí)要采用小電流、快速焊、短弧多道焊。焊接時(shí)盡量不作橫向擺動(dòng)。嚴(yán)格監(jiān)控焊接過(guò)程中的層間溫度，焊接過(guò)程中用手提式測(cè)溫儀進(jìn)行溫度監(jiān)控，確保層間溫度不超過(guò)100℃。每層焊后用水快速冷卻。2007-11-27六、工藝方案的制定焊工應(yīng)具備奧氏體不銹鋼管考試合格項(xiàng)目，并經(jīng)使用YT-304H焊絲進(jìn)行焊前練習(xí)，已掌握焊材、母材及焊機(jī)的性能與焊接工藝規(guī)范。焊前用角向磨光機(jī)打磨管件坡口附近及其內(nèi)外壁15～20mm并見(jiàn)金屬光澤，如有油污，可用丙酮或酒精等有機(jī)溶劑擦拭，但不要用鋼絲刷或砂布進(jìn)行清理。焊絲的選擇：奧氏體不銹鋼的焊接，常采用同材質(zhì)焊接材料，因此，選擇日本日鐵住溶接工業(yè)株式會(huì)社生產(chǎn)的YT-304H（φ2.4mm）焊絲，其化學(xué)成分見(jiàn)下表。2007-11-27焊前準(zhǔn)備化學(xué)元素CMnSiSP百分比Wt%0.113.200.200.0030.004化學(xué)元素NiCrCuNbN百分比Wt%15.9818.412.990.660.21試件對(duì)口鈍邊、間隙尺寸見(jiàn)圖1所示。在對(duì)口根部定位焊，定位焊后應(yīng)檢查焊點(diǎn)質(zhì)量，如有缺陷應(yīng)立即清除，重新進(jìn)行定位焊。定位焊后管子兩側(cè)及坡口周?chē)媚z布封堵做成氣室，上側(cè)先預(yù)留一個(gè)小孔，氬氣從下面充入管內(nèi)，先用膠布把坡口周?chē)庾?，充氬?分鐘后，通過(guò)觀察打火機(jī)熄滅情況判斷保護(hù)效果，滿(mǎn)足要求后方可施焊。定位焊及正常施焊過(guò)程中不得在管子表面試電流，隨便引弧。2007-11-27對(duì)口裝配及定位焊為防止根層焊縫金屬氧化，氬弧焊打底和第一層填充時(shí)管內(nèi)均需充氬氣保護(hù)，氬氣流量為5~12L/min。施焊過(guò)程中氬氣的流量為8~12L/min。氬弧焊時(shí)各層的焊接規(guī)范參數(shù)見(jiàn)表4。表4：焊接規(guī)范參數(shù)2007-11-27焊接操作工藝焊層焊道焊接方法焊條（絲）電流范圍電壓范圍(V)焊接速度(mm/min)焊層厚度(mm)型(牌)號(hào)規(guī)格(mm)極性電流(A)1GTAWYT-304HΦ2.4直流正接76~819~1022~293.02GTAWYT-304HΦ2.4直流正接85~879~1025~282.03/1-2GTAWYT-304HΦ2.4直流正接85~939~1028~352.04/1-2GTAWYT-304HΦ2.4直流正接73~779~1022~272.0外觀檢查：表面無(wú)缺陷，外觀檢查符合DL/T868標(biāo)準(zhǔn)要求。射線探傷：檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為DL/T821-2002，未發(fā)現(xiàn)缺陷，質(zhì)量等級(jí)為I級(jí)片。力學(xué)性能檢驗(yàn)2007-11-27焊后檢驗(yàn)2007-11-27力學(xué)性能取樣部位1，拉伸試樣2、3，側(cè)彎試樣4，沖擊試樣5，金相試樣根據(jù)GB2651-1989進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示：2007-11-27拉伸試驗(yàn)試樣編號(hào)寬度(mm)厚度(mm)斷面積(mm2)負(fù)荷值（N）抗拉強(qiáng)度(MPa)斷后斷裂處出現(xiàn)的缺陷斷裂位置種類(lèi)數(shù)量Ws-169-488127.994.8650686.0無(wú)0斷母材Ws-169-488-1B127.994.8645680.0無(wú)0斷母材根據(jù)GB2653-1989進(jìn)行面彎和背彎試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示2007-11-27面彎與背彎試驗(yàn)試樣編號(hào)寬度(mm)厚度(mm)壓頭直徑(mm)彎曲角度（°）缺陷情況結(jié)論面彎背彎Ws-169-488207.931.6180裂紋長(zhǎng)

合格Ws-169-488-2B207.931.6180未發(fā)現(xiàn)缺陷合格Ws-169-488207.931.6180未發(fā)現(xiàn)缺陷合格Ws-169-488-3B207.931.6180未發(fā)現(xiàn)缺陷合格根據(jù)GB/T17394-1998進(jìn)行布氏硬度（HBS）試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表72007-11-27硬度試驗(yàn)試樣編號(hào)母材熱影響區(qū)焊縫硬度值（HB）結(jié)果IIIIIIIVV平均值169-4881-Ws√202195182191184191合格√215188192213196201合格√203209212185222206合格169-4882-Ws√183194188199215196合格√176192196194178187合格格微觀金相結(jié)論：最終焊接接頭得到奧氏體+δ鐵素體組織，符合要求。2007-11-27微觀金相檢驗(yàn)?zāi)覆膱D(奧氏體組織)熔合線(奧氏體+δ鐵素體組織)熱影響區(qū)(奧氏體+細(xì)小δ鐵素體組織)針對(duì)SUPER304H鋼的成份、特點(diǎn)及焊接中需注意的事項(xiàng)，通過(guò)制定焊接工藝操作方案，嚴(yán)格按要求進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，試件的所有試驗(yàn)結(jié)果均符合要求，說(shuō)明制定的工藝評(píng)定參數(shù)是合理的，工藝評(píng)定獲得圓滿(mǎn)成功。我們認(rèn)為對(duì)于SUPER304H鋼的焊接，關(guān)鍵在于操作中特別要注意以下幾項(xiàng)，嚴(yán)格按要求進(jìn)行焊接，就可獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。1、選擇與母材相配備，并含有一定量的鈮的焊接材料是避免產(chǎn)生晶間腐蝕和熱裂紋的重要措施。2、焊接操作中采用小電流、快焊速、短弧多道焊工藝措施，焊接過(guò)程中不作橫向擺動(dòng)。3、為保證根部質(zhì)量，焊口背面應(yīng)采取充氬氣保護(hù)的措施。4、嚴(yán)格控制層間溫度，焊接過(guò)程中用手提式測(cè)溫儀進(jìn)行溫度監(jiān)控，確保層間溫度不超過(guò)100℃，每層焊后用水快速冷卻，是防止產(chǎn)生晶間腐蝕的關(guān)鍵一環(huán)。2007-11-27結(jié)論1、《新型耐熱鋼焊接》楊富、章應(yīng)霖、任永寧、李為民

中國(guó)電力出版社。2、TakaoKanandothers