TP347H与12Cr1MoV异种钢膜式壁焊接工艺

GXF360 2017-08-24

展开全文

TP347H与12Cr1MoV异种钢膜式壁焊接工艺

韩玉梅

【摘要】针对在TP347H与12Cr1MoV异种钢膜式壁焊接过程中所产生的裂纹缺陷问题,本文通过对焊缝缺陷的金相组织观察、原因的分析思考，探索制定出了解决焊接缺陷的工艺方案。结果表明，新拟定的工艺方案能够满足要求，并对实际生产有较好的指导作用。

关键词：TP347H；12Cr1MoV；异种钢膜式壁焊接；焊接缺陷；工艺方案

1. 概述

光管+扁钢焊制的膜式壁管屏因其具有密封性好、减少漏风，使炉膛可采用微正压燃烧等优点，因此广泛应用于循环流化床的水冷壁结构中。我公司设计的TG—75/9.82—T秸秆锅炉过热器系统的中部管屏采用的就是此结构。相应的规格为：光管TP347H/φ38mm×6mm，扁钢12Cr1MoV/δ6mm。

2.焊接性分析

（1）材料的焊接性影响焊接性的最主要因素是金属材料的化学成分和组织，同时也与焊接工艺及使用条件等因素密切相关。TP347H与12Cr1MoV钢的化学成分及力学性能如表1与表2所示。

其中TP347H为奥氏体不锈钢，焊接性良好；12Cr1MoV为铁素体+珠光体耐热钢，碳当量Ceq=0.62%，焊接性相对较差。12Cr1MoV与TP347H的金相组织如图1、图2所示。

表1 母材的化学成分（质量分数）（%）

材质C Mn P S Si Cr Ni Mo V TH347H 0.04～0.10≤2.00≤0.045≤0.030 ≤1.00 17.00～19.00 9～13— —12Cr1MoV 0.08～0.15 0.4～0.7≤0.035≤0.035 0.17～0.37 0.90～1.20—0.25～0.35 0.15～0.30

表2 母材的常温力学性能

材质σb/ M P a σs/ M P a A（%）T H 3 4 7 H≥5 1 5≥4 8 0≥2 0 5≥3 5 1 2 C r 1 M o V≥2 5 5≥2 1

图1 12Cr1MoV的金相组织

图2 TP347H的金相组织

（2）异种钢焊接特点及存在的问题异种钢焊接接头两侧的母材部分存在着一系列较大的差异，无论是在物理性能还是化学性能方面。因此会有一系列区别于同种钢焊接的特点：化学成分、组织、性能、应力场的不均匀性及焊后热处理的难处理性，进而导致裂纹、残余应力大、脱碳层软化及增碳层硬化等诸多缺陷。因此异种钢的焊接比起同种钢而言更加困难，考虑的因素更加复杂。

（3）焊接材料的选定根据异种钢焊接选材原则及舍夫勒组织图，同时考虑节约成本，本公司优先选用H12Cr24Ni13（ER309）不锈钢焊丝，希望得到A+F（奥氏体+铁素体）双相焊缝组织，以减少焊缝开裂几率。焊丝化学成分如表3所示。

3. 工艺方案拟定

（1）焊接工艺评定按照GB/T16507—2013《水管锅炉》，产品施焊前先进行焊接工艺评定，来检测角焊缝宏观金相及角焊缝熔深。我公司采用熔化极气体保护焊（GMAW）焊接三身管（三根管子+两件扁钢）试件进行试验。焊接参数：上枪：I=200～220A，U=25～27V；下枪：I=180～200A，U=23～25V，v=65～70cm/min，气体配比为Ar：85%，CO2：15%。焊接方式如图3所示。

焊接完毕后锯切试件进行角焊缝宏观金相观察，结果发现在下枪的焊缝横截面区沿焊缝根部有肉眼可见横向裂纹，而上枪焊接的焊缝完好，裂纹腐蚀前与腐蚀后的形态如图4、图5所示。

从图中可看出，裂缝位于焊缝区，裂缝的外观呈锯齿形，它的走向与结晶时的等温面相垂直，属于热裂纹，焊缝区组织构成为：奥氏体+少量铁素体。

（2）试验分析 TP347H和12Cr1MoV两者相焊，由于在化学成分、力学性能、金相组织存在很大的差别，以及试件自身结构特点，都对焊接接头会产生很大的影响。

第一，由于两种钢的线膨胀系数相差很大，焊接时会产生较大的残余应力，焊缝承受拉应力，珠光体母材承受压应力。

第二，由于采用H12Cr24Ni13高合金奥氏体不锈钢焊接材料，珠光体母材对焊缝稀释，有害元素会过多地渗入熔池及熔合区，容易形成低熔点液态薄膜。

第三，由于膜式壁焊机特点：上、下枪不同步，上枪先焊，焊缝自由变形，而下枪焊接滞后，焊缝冷却收缩变形时，拘束应力加大，所以焊缝根部未焊透处容易产生应力集中。

上述原因导致在下枪焊缝根部开裂，并延伸形成明显的裂纹缺陷。

（3）重新拟定工艺评定方案第一，控制熔合比减少稀释：为减少珠光体母材对焊缝稀释，12Cr1MoV扁钢两侧开V形坡口，减小12Cr1MoV侧熔合比。就坡口而言，不开坡口的母材焊接第一层焊缝熔合比最大。

第二，降低应力和应变：采用全焊透结构，减小接头根部应力集中，增大焊缝承载面积。

焊接结构如图6所示。

重新进行焊接试验，所采用的焊接参数为：I上=180～200A ，I下=170～190A ，U=22～24V，v=47～48cm/min，角焊缝宏观金相及角焊缝熔深检测全部合格。采取新的焊接工艺后试件的金相组织如图7、图8所示。

表3 H12Cr24Ni13焊丝化学成分（质量分数）（%）

C Mn P S Si Cr Ni Cu≤0.12 1.0～2.5≤0.03≤0.03 0.30～0.65 23.0～25.0 12.0～14.0≤0.75

图3 膜式壁焊接示意

图4 裂纹为未腐蚀形态

图5 裂纹腐蚀形态

由图可以看出：12Cr1MoV侧两边热影响区组织是由铁素体+贝氏体组成；焊缝区组织是由奥氏体+少量铁素体组成。新工艺焊后的试件组织构成符合要求。

4. 结语

保证扁钢全焊透是减少焊缝开裂的主要因素，因此在产品焊接前向扁钢生产厂家定制有坡口扁钢。新拟定的焊接工艺成功解决了生产过程中TP347H与12Cr1MoV异种钢膜式壁焊接所产生的裂纹问题。因此，只要采取合理的材料与工艺，并严格执行工艺方案与要求，控制焊缝的熔合比，降低应力与应变，便能生产出合格的产品。