馬氏體耐熱鋼9Cr-Mo-Co-B焊接性研究

雷陳，趙鵬飛，毛桂軍，黃小波

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000)

馬氏體耐熱鋼9Cr-Mo-Co-B焊接性研究

雷陳，趙鵬飛，毛桂軍，黃小波

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000)

文章對近幾年新開發(fā)的一種9%～12%Cr馬氏體耐熱鋼的焊接性進(jìn)行了研究。試驗(yàn)表明該材料焊接性較差，具有較強(qiáng)的焊接冷裂紋傾向，預(yù)熱溫度高于200℃時(shí)才可以避免冷裂紋的發(fā)生。在對該材料的焊接性進(jìn)行初步評價(jià)的基礎(chǔ)上，對曼徹斯公司和伯樂公司的焊接材料進(jìn)行了熔敷金屬試驗(yàn)。結(jié)果表明，伯樂公司的焊接材料綜合性能更穩(wěn)定。

9%～12%耐熱鋼，焊接性，焊接材料

1 試驗(yàn)材料

本文研究的材料是最近幾年才開發(fā)出來的一種新型9%～12%Cr馬氏體耐熱鋼材料，其高溫性能十分優(yōu)異，具有高導(dǎo)熱性、低線膨脹系數(shù)和較好的焊接性等優(yōu)點(diǎn)，可用于超 （超）臨界機(jī)組高溫蒸汽管道、閥門等高溫部件。

該材料供貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)，微觀組織為回火馬氏體。該材料是在廣泛應(yīng)用9%～12%Cr鋼材料的基礎(chǔ)上添加一定數(shù)量的Co元素，同時(shí)控制N、B等微量元素的含量在一定范圍內(nèi)來綜合提高材料的高溫性能。材料的化學(xué)成分及性能結(jié)果見表1～2。

表1 母材的化學(xué)成分 wt%

表2 母材的力學(xué)性能

2 焊接性分析

2.1 碳當(dāng)量Ceq及冷裂紋敏感指數(shù)Pcm計(jì)算

金屬材料的冷裂紋敏感性主要由材料的淬硬傾向決定，影響材料淬硬傾向的主要因素是它的化學(xué)成分。碳當(dāng)量Ceq和冷裂紋敏感指數(shù)Pcm計(jì)算公式為：

把表1數(shù)據(jù)代入式（1）計(jì)算得出Ceq=2.35%。

把表1數(shù)據(jù)代入式（2）計(jì)算得出Pcm=0.76%。

一般認(rèn)為，碳當(dāng)量Ceq>0.45%時(shí)，焊接性能比較差。冷裂紋敏感指數(shù)Pcm>0.2%時(shí)，裂紋敏感指數(shù)較高，有較大的冷裂傾向，因此焊前必須進(jìn)行預(yù)熱。焊材選擇時(shí)采用韌性、強(qiáng)度與母材相匹配的焊接材料，并能夠形成低氫或超低氫焊縫的焊接材料和工藝方法，以降低鋼板焊接冷裂紋傾向。

2.2 斜Y型坡口試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

由于該材料合金成分比較復(fù)雜，為了保證有效抑制冷裂紋的產(chǎn)生和保證焊縫質(zhì)量的安全可靠，本文采用拘束度較大的斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)對該材料的焊接冷裂紋敏感性進(jìn)行評估，試驗(yàn)參照原國標(biāo) 《斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》進(jìn)行，見圖1。

圖1 斜Y試驗(yàn)試板尺寸

2.2.2 試驗(yàn)條件

組對后試件電加熱爐中進(jìn)行整體預(yù)熱，預(yù)熱溫度采用接觸式熱電偶進(jìn)行測量。試驗(yàn)過程中預(yù)熱溫度為：100℃、150℃、200℃、250℃、300℃，拘束焊縫采用CO2氣體保護(hù)焊，焊材ER70S-6，Φ1.2，試驗(yàn)焊縫采用焊條E9015-G，Φ4.0。焊接工藝參數(shù)如下：

焊接電流：I=160±10 A；

焊接電壓：U=24±2 V；

焊接速度：v=150±10 mm/min。

2.2.3 斜Y試驗(yàn)結(jié)果分析

表3為裂紋率統(tǒng)計(jì)結(jié)果。結(jié)果表明，隨著預(yù)熱溫度的升高，裂紋率顯著降低，即裂紋敏感性大大減少。在150℃預(yù)熱溫度下的表面照片和斷面裂紋照片見圖2（a）和圖2（b）。從表面照片上看，在接頭的表面有明顯的裂紋，裂紋在焊縫的中央開裂，縱向貫穿整個(gè)試驗(yàn)焊縫。通過PT檢驗(yàn)，可以明顯觀察到表面裂紋。從斷面照片上看，裂紋貫穿整個(gè)焊縫深度。圖2（c）和圖2（d）分別為200℃預(yù)熱試驗(yàn)焊縫表面照片和斷面照片，表面沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，同樣在斷面上也沒有觀察到裂紋。

圖2 預(yù)熱表面裂紋與斷面照片

表3 斜Y試驗(yàn)表面和斷面裂紋率結(jié)果

考慮到該材料在現(xiàn)場焊接時(shí)，體積較大，壁厚較厚，結(jié)構(gòu)復(fù)雜預(yù)熱溫度均勻性較差，為了確保不產(chǎn)生裂紋，采取裂紋率近于0的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求，該材料焊接時(shí)最低預(yù)熱溫度應(yīng)高于200℃。

3 熔敷金屬試驗(yàn)

本文分別選用了2家公司的E9015-G焊條進(jìn)行熔敷金屬試驗(yàn)，其化學(xué)成分、力學(xué)性能見表4～5。

表4 焊材化學(xué)成分 wt%

表5 焊材力學(xué)性能

3.1 試驗(yàn)材料

本文采用Q235-B鋼板作為母材，參照ASME第Ⅱ卷的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行熔敷金屬焊接試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)條件

根據(jù)斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合焊材生產(chǎn)商的推薦溫度，將預(yù)熱溫度定為200～250℃，層間溫度控制在200～350℃。

焊接熱輸入對焊接接頭的沖擊韌性有較大影響，熱輸入大，焊縫金屬在高溫下停留時(shí)間長，導(dǎo)致晶粒長大，焊接接頭的沖擊韌性低，所以必須采用較小的焊接熱輸入。影響熱輸入的主要因素是焊接電流和焊接速度，因此這2個(gè)參數(shù)應(yīng)協(xié)調(diào)變化，焊接過程中采用多層多道焊。2種焊材由于化學(xué)成分相近，焊接工藝參數(shù)也變化不大，具體焊接工藝參數(shù)見表6。

表6 熔敷金屬焊接工藝參數(shù)

由于焊接層間溫度處于馬氏體相變開始溫度Ms和完成溫度Mf之間，為保證熔敷金屬的馬氏體充分轉(zhuǎn)變，在熱處理前試板需要先冷卻至80～100℃。

3.3 熱處理

2種焊材具體熱處理參數(shù)見圖3～4。

圖3 曼徹特焊材熔敷金屬熱處理參數(shù)

圖4 伯樂焊材熔敷金屬熱處理參數(shù)

3.4 熔敷金屬化學(xué)成分

2家公司熔敷金屬化學(xué)成分見表7～8。

從熔敷金屬化學(xué)成分來看，曼徹特公司的焊材主要合金元素Cr低于標(biāo)準(zhǔn)值，為改善焊接性，焊材C含量可適量低于母材，但曼徹特公司的焊材C含量低于標(biāo)準(zhǔn)值。伯樂公司焊材的成分均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，2種焊材的主要化學(xué)元素相差不大，和母材的化學(xué)成分也很接近。

表7 曼徹特焊材熔敷金屬化學(xué)成分 wt%

表8 伯樂焊材熔敷金屬化學(xué)成分 wt%

3.5 熔敷金屬常溫力學(xué)性能成分 2家公司熔敷金屬的常溫力學(xué)性能見表9～10。

表9 曼徹特焊材熔敷金屬室溫力學(xué)性能

表10 伯樂焊材熔敷金屬室溫力學(xué)性能

從常溫力學(xué)性能來看，2種焊材的力學(xué)性能都滿足母材常溫力學(xué)性能要求。伯樂公司焊材屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度要高于曼徹特公司，但沖擊功卻要比曼徹特公司低10 J左右，伯樂公司焊材硬度也要比曼徹特公司高20 HV左右，這主要是由于熱處理規(guī)范不一樣造成的，曼徹特公司的焊材熱處理溫度更高，回火效果越明顯，焊縫的塑形和韌性也越好，但這以犧牲部分焊材的強(qiáng)度為代價(jià)。

3.6 熔敷金屬組織分析

在進(jìn)行熔敷金屬金相試驗(yàn)時(shí)，對2種焊材進(jìn)行了組織分析，如圖5～6所示。

圖5 曼徹特熔敷金屬組織 （100×）

圖6 伯樂熔敷金屬組織 （100×）

從金相照片上看，2種熔敷金屬微觀組織均為回火馬氏體組織，通過金相法觀察，沒有發(fā)現(xiàn)組織中存在δ鐵素體。

由于該材料屬于馬氏體類型高溫蠕變鋼，焊接過程中需嚴(yán)格控制熔敷金屬中δ鐵素體含量，因此對2種焊材熔敷金屬的化學(xué)成分按照舍弗勒相圖 （見圖7）要求進(jìn)行Cr當(dāng)量和Ni當(dāng)量的計(jì)算。

圖7 舍弗勒相圖

將2種焊材的化學(xué)成分分別帶入式 （3）和式（4）中計(jì)算2種焊材的Cr當(dāng)量和Ni當(dāng)量，結(jié)果見表11。

表11 2種焊材的Cr當(dāng)量和Ni當(dāng)量計(jì)算結(jié)果

從表11中可以看出，伯樂焊材的Cr當(dāng)量和Ni當(dāng)量均能滿足要求， 曼徹特焊材的Cr當(dāng)量能滿足要求，但是Ni當(dāng)量比規(guī)范要求值低。由于Ni當(dāng)量和C元素含量有較大關(guān)系，所以曼切特焊材熔敷金屬試樣中C元素含量偏低，導(dǎo)致了其Ni當(dāng)量低于規(guī)范要求值。當(dāng)Ni當(dāng)量偏低后，從舍弗勒相圖中反映出來的就是熔敷金屬中可能殘留δ鐵素體，而熔敷金屬中殘留的δ鐵素體會(huì)大大降低沖擊韌性和蠕變斷裂強(qiáng)度，因此熔敷金屬中要嚴(yán)格控制各元素的含量，減少殘留δ鐵素體的含量。

4 結(jié)論

通過本文分析得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)碳當(dāng)量及冷裂紋敏感指數(shù)計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為該材料淬硬傾向較高，有較大的冷裂傾向，焊接性能較差，因此焊前必須進(jìn)行預(yù)熱。

（2）斜Y試驗(yàn)結(jié)果表明該材料預(yù)熱溫度≥200℃可抑制焊接冷裂紋的產(chǎn)生。根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)過程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，該材料的最低預(yù)熱溫度應(yīng)高于200℃。

（3）從化學(xué)成分上考慮，伯樂公司焊條成分更穩(wěn)定，與母材也更接近，通過舍弗勒相圖來看，曼徹特的焊材更接近于δ鐵素體產(chǎn)生區(qū)域，更容易產(chǎn)生δ鐵素體。

（4）通過對2種焊接材料化熔敷金屬性能對比來看，伯樂公司焊材拉伸強(qiáng)度更高但塑性與韌性要差一些，但2個(gè)廠家強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（5）伯樂公司的焊接材料綜合性能更穩(wěn)定，應(yīng)優(yōu)先選用伯樂公司焊條進(jìn)行后續(xù)的焊接工藝評定。

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Study on Weld Ability of 9Cr-Mo-Co-B Martensite Steel

Lei Chen，Zhao Pengfei，Mao Guijun，Huang Xiaobo

（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

A new development 9%～12%Cr martensite steel was studied.The test indicated that the material had a strong welding cold cracking tendency and poor weld ability,and cold cracking could be avoided,when the preheating temperature was higher than 200℃.Based on the preliminary evaluation of the weld ability of the material,Metrode company and Bohler company's welding consumables were tested.The results showed that the performance of the Bohler's welding consumables were more stable.

9%～12%heat resistant steel,weld ability,welding consumables

TG113

B

1674-9987（2015）03-0045-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.03.011

雷陳 （1982-），男，畢業(yè)于西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)，工程師，主要從事汽輪機(jī)焊接技術(shù)工作。