12Cr2Mo1R與06Cr19Ni10異種材質(zhì)焊接研究

匡清華　毛桂軍

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川618000)

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12Cr2Mo1R與06Cr19Ni10異種材質(zhì)焊接研究

匡清華毛桂軍

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川618000)

公司承接的某重型燃?xì)廨啓C(jī)的一些零部件采用了12Cr2Mo1R耐熱鋼與06Cr19Ni10不銹鋼焊接接頭，其工作溫度為 600℃左右，因此對(duì)該異質(zhì)接頭的使用性能要求非常高。同時(shí)，12Cr2Mo1R耐熱鋼與06Cr19Ni10不銹鋼的物理性能和化學(xué)成分都有著較大的差別，二者組成的接頭焊接性較差[1～2]。這就要求對(duì)如何選擇焊接材料，如何優(yōu)化焊接工藝參數(shù)進(jìn)行深入研究。

1焊接性分析

1.1化學(xué)成分和物理性能對(duì)比

12Cr2Mo1R為珠光體耐熱鋼[3]，有較高的熱強(qiáng)性和持久塑性。它的碳和各種合金元素含量較高，母材有較大的淬硬敏感性，焊縫及熱影響區(qū)容易出現(xiàn)淬硬組織[4]。而當(dāng)這種焊接接頭剛性大，且應(yīng)力比較集中時(shí)，產(chǎn)生冷裂紋的傾向就更大。

06Cr19Ni10不銹鋼是單相奧氏體組織，抗蠕變性高，抗蝕性好。但是長(zhǎng)時(shí)間在600℃左右工作時(shí)，容易產(chǎn)生晶間腐蝕。兩種鋼的化學(xué)成分對(duì)照表如表1所示。兩種鋼的物理性能對(duì)照表如表2所示。

表1　12Cr2Mo1R與06Cr19Ni10

表2　12Cr2Mo1R與06Cr19Ni10物理性能對(duì)照表

由表1可知，12Cr2Mo1R與06Cr19Ni10的合金元素含量差別較大，特別是Ni、Cr含量非常明顯。從表2可知二者的線脹系數(shù)和導(dǎo)熱率也存在較大差別，因此，該種異質(zhì)接頭在焊接過(guò)程中和使用過(guò)程中都可能出問(wèn)題。

1.2焊縫合金成分稀釋和馬氏體過(guò)渡層生成

12Cr2Mo1R耐熱鋼與06Cr19Ni10不銹鋼焊接時(shí)，一方面，因?yàn)?2Cr2Mo1R的合金成分含量相對(duì)較低，在施焊過(guò)程中對(duì)焊縫金屬的合金成分有一定的沖淡作用，導(dǎo)致焊縫中的奧氏體形成元素欠缺，從而焊縫中容易產(chǎn)生馬氏體組織，降低焊接接頭性能，還可能引發(fā)裂紋。另一方面，焊縫金屬與熔化母材在焊接過(guò)程中互相混合，但在熔池的內(nèi)部和邊緣混合程度不同。熔池邊緣的液態(tài)金屬因溫度較低導(dǎo)致其流動(dòng)性差，保持液態(tài)的時(shí)間較短，加上受到的攪拌作用相對(duì)較弱，故而融合區(qū)容易形成合金元素含量較高的過(guò)渡層。當(dāng)該過(guò)渡層出現(xiàn)高硬度的馬氏體組織時(shí)，會(huì)使得這種異質(zhì)接頭，在焊接或使用過(guò)程中因熔合區(qū)性能的降低而降低整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)的可靠性[4～5]。

1.3熔合區(qū)的碳擴(kuò)散

12Cr2Mo1R耐熱鋼與06Cr19Ni10不銹鋼異質(zhì)接頭在高溫條件下長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，碳元素自12Cr2Mo1R母材側(cè)經(jīng)熔合線擴(kuò)散到奧氏體焊縫側(cè)，導(dǎo)致12Cr2Mo1R母材側(cè)因鐵素體脫碳而發(fā)生軟化，并加劇了脫碳層的晶粒長(zhǎng)大，從而沿熔合線生成粗晶區(qū)。而在奧氏體焊縫側(cè)由于增碳導(dǎo)致硬度升高。

1.4焊接接頭的界面應(yīng)力

12Cr2Mo1R耐熱鋼與06Cr19Ni10不銹鋼的線膨脹系數(shù)存在較大差異，使得組成的異質(zhì)接頭產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，并加劇熔合區(qū)內(nèi)缺陷的聚集和進(jìn)一步擴(kuò)展。同時(shí)，馬氏體淬硬組織容易在化學(xué)成分被稀釋后的焊縫中出現(xiàn)。當(dāng)焊接接頭冷卻收縮時(shí)，脫碳層中的拘束應(yīng)力得到釋放，而增碳層中的拘束應(yīng)力形成聚集，出現(xiàn)應(yīng)力集中。

1.5焊接接頭的應(yīng)力腐蝕敏感性

由于12Cr2Mo1R耐熱鋼的成分、組織以及物理性能與06Cr19Ni10不銹鋼差異較大，加上界面應(yīng)力較大，因此應(yīng)力腐蝕敏感性較高。為了增強(qiáng)接頭的抗應(yīng)力腐蝕能力，需要從兩方面著手：一方面是降低界面應(yīng)力；另一方面是對(duì)焊接接頭成分不均勻性進(jìn)行改善。

1.6475℃脆性和δ相析出脆化

為了控制雙相組織中鐵素體的含量，以達(dá)到減弱475℃脆性的目的，在12Cr2Mo1R耐熱鋼與06Cr19Ni10不銹鋼進(jìn)行焊接時(shí)，可向填充金屬中增加一定的奧氏體化元素成分，或者降低鐵素體形成元素。12Cr2Mo1R耐熱鋼與06Cr19Ni10不銹鋼組成的異質(zhì)接頭在600℃附近停留時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，容易形成δ脆性相，導(dǎo)致接頭的塑性和韌性降低。06Cr19Ni10這種奧氏體不銹鋼的導(dǎo)熱率較低，降溫速度慢，降溫過(guò)程較長(zhǎng)。為了縮短高溫狀態(tài)時(shí)的停留時(shí)間，盡量避免475℃脆性和δ相析出脆化，推薦采取強(qiáng)制冷卻方式。

2焊接方案制定

2.1焊接過(guò)程和焊材分析

依據(jù)前面對(duì)兩種異質(zhì)材料的物理性能和化學(xué)性能分析，對(duì)12Cr2Mo1R與06Cr19Ni10異質(zhì)接頭采取不預(yù)熱焊接，焊后強(qiáng)制冷卻，這樣對(duì)接頭的性能有積極作用。同時(shí)，通過(guò)合理選擇與該種異質(zhì)接頭匹配的焊接材料，調(diào)整和控制填充金屬的成分。優(yōu)選鎳含量較高的焊接材料，可有效抑制焊縫中的碳擴(kuò)散，而選取與06Cr19Ni10成分近似的焊材，還可有效降低稀釋率。雖然δ相存在焊縫組織中時(shí)會(huì)引起δ相脆化，并引起δ相選擇性腐蝕，但是δ相可提高抗熱裂和抗晶間腐蝕能力，5%的δ相即可有效改善和提高焊縫性能[6]。因此，采取相應(yīng)的措施，使焊縫組織為A+5%F，即可有效改善接頭的性能，保證焊縫的塑性、韌性和抗裂性能。

2.2焊接材料的選擇

考慮以上分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，初步選取ER309L焊絲作為焊材，并利用舍夫勒組織圖分析焊縫成分及熔合比。焊絲ER309L化學(xué)成分見(jiàn)表3。

表3　ER309L化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

(1)06Cr19Ni10不銹鋼的鎳當(dāng)量Nieq和鉻當(dāng)量Creq計(jì)算(計(jì)算元素含量均取上限值)：

Creq=Cr+1.5Si+Mo=20.5%

Nieq=Ni+30C+0.5Mn=14.1%

(2)12Cr2Mo1R耐熱鋼的鎳當(dāng)量Nieq和鉻當(dāng)量Creq計(jì)算(計(jì)算元素含量均取上限值)：

Creq=Cr+1.5Si+Mo=4.35%

Nieq=Ni+30C+0.5Mn=7.8%

(3)ER309L焊絲的鎳當(dāng)量Nieq和鉻當(dāng)量Creq計(jì)算(計(jì)算元素含量均取上限值)：

Creq=Cr+1.5Si+Mo=25.975%

Nieq=Ni+30C+0.5Mn=16.15%

在舍夫勒組織圖(圖1)上，對(duì)應(yīng)12Cr2Mo1R、06Cr19Ni10、ER309L標(biāo)出a、b、c三點(diǎn)，將a、b、c三點(diǎn)連線，當(dāng)12Cr2Mo1R和06Cr19Ni10母材同比例進(jìn)入焊縫時(shí)，得到a-b連線的中點(diǎn)f點(diǎn)的母材成分。將f與c連線，則焊縫金屬成分必在f-c連線上并取決于熔合比的大小。將f-c連線10等分后可知：熔合比約大于71%時(shí)，焊縫成分為A+M；熔合比約大于51%時(shí)焊縫成分為A+M+5%F，熔合比只有在26%～51%之間時(shí)，焊縫成分為A+5%F，能夠滿足焊縫性能要求[4]。

2.3焊接工藝參數(shù)

采用富氬氣體保護(hù)，手工鎢極氬弧焊施焊，參數(shù)見(jiàn)表4。

圖1　舍夫勒組織圖

焊接電流/A電壓/V氬氣流量/L·min-1打底層蓋面層70～9010025258～158～15

(1)選取直徑為?2.0 mm的ER309L焊絲，并要求施焊前對(duì)即將使用的焊絲表面進(jìn)行清理。

(2)焊機(jī)型號(hào)：時(shí)代ZX7-315；電流極性：直流正接；鎢極：鈰鎢極?2.0 mm。

(3)采用V型坡口，坡口角度為60°，鈍邊為1.5 mm，間隙2.0 mm。對(duì)坡口表面及附近區(qū)域清理、打磨。

(4)焊接完成后立即采用石棉布對(duì)12Cr2Mo1R耐熱鋼側(cè)母材進(jìn)行包覆保溫緩冷。

3焊接工藝評(píng)定

3.1評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

按《ASME鋼爐及壓力容器規(guī)范》第Ⅸ卷的有關(guān)焊接工藝評(píng)定的要求進(jìn)行本項(xiàng)試驗(yàn)。

3.2試件準(zhǔn)備和焊接

試件：12Cr2Mo1R：150 mm×350 mm/δ25 mm；06Cr19Ni10：150 mm×350 mm/δ10 mm。對(duì)接坡口，按表4中焊接工藝參數(shù)施焊。

3.3力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

試件著色檢測(cè)合格，射線檢測(cè)I級(jí)合格,在試件上按ASME IX要求進(jìn)行力學(xué)性能試樣取樣。性能試驗(yàn)結(jié)果：

(1)斷裂發(fā)生在12Cr2Mo1R耐熱鋼母材一側(cè)，抗拉強(qiáng)度合格。

(2)90°面彎四件，彎曲結(jié)果均合格。

試驗(yàn)結(jié)論：試驗(yàn)結(jié)果符合ASME IX要求，完全合格。

4實(shí)際應(yīng)用

將接頭在燃?xì)廨啓C(jī)某大型部件上進(jìn)行了生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用，該產(chǎn)品經(jīng)多年的服役未出現(xiàn)問(wèn)題，證明了接頭性能穩(wěn)定，從而也驗(yàn)證了焊材和參數(shù)選擇的合理性。

5結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)12Cr2Mo1R和06Cr19Ni10兩種材料的差異分析，選取合適的焊接材料進(jìn)行工藝評(píng)定試驗(yàn)，為產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

(2)在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，工件不允許進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)口，以盡可能減小拘束度。

(3)坡口角度和根部間隙對(duì)熔合比的影響較大。因此，一旦焊接方式和使用參數(shù)選定，不同的基材板厚就應(yīng)根據(jù)熔合比需求選取不同的坡口角度和根部間隙。

(4) 針對(duì)12Cr2Mo1R和06Cr19Ni10兩種材料進(jìn)行焊接評(píng)定，從試驗(yàn)上驗(yàn)證了分析方法的合理性，而優(yōu)選的焊接參數(shù)在產(chǎn)品上的成功應(yīng)用則驗(yàn)證了焊材和參數(shù)選擇的科學(xué)性。對(duì)類似材料產(chǎn)品的焊接具有一定的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)

[1]周振豐.焊接冶金學(xué)(金屬焊接性).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

[2]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)編.焊接手冊(cè).第二卷 材料的焊接.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

[3]催忠圻. 金屬學(xué)與熱處理. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

[4]常學(xué)軍，段春福.12Cr1MoV-1Cr18Ni9Ti氬弧焊工藝分析.焊接，2001.

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[6]張文鉞.焊接冶金學(xué)(基本原理).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

編輯杜青泉

摘要：分析了12Cr2Mo1R耐熱鋼與06Cr19Ni10不銹鋼的焊接工藝特點(diǎn)，介紹了氬弧焊材ER309L的選取過(guò)程，闡述了如何控制焊縫的合金元素組成，從而改善和提高焊接接頭性能，并最終在實(shí)際產(chǎn)品中驗(yàn)證了工藝方案的可行性。

關(guān)鍵詞：12Cr2Mo1R；06Cr19Ni10；焊接性

Study on Dissimilar Material Welding of 12Cr2Mo1R and 06Cr19Ni10

Kuang Qinghua, Mao Guijun

Abstract：The welding process characteristics of 12Cr2Mo1R heat resistant steel and 06Cr19Ni10 stainless steel have been analyzed. Meanwhile, the selection procedure of argon arc welding material ER309L has been introduced. How to control the composition of alloying elements for welding seam has been stated, so as to improve the properties of welded joint. Then the feasibility of process program has been verified in the actual product eventually.

Key words：12Cr2Mo1R; 06Cr19Ni10; weldability

作者簡(jiǎn)介：匡清華(1974—)，男，工程碩士，主要從事汽輪機(jī)主機(jī)部套焊接工藝方面的研究。

收稿日期：2015—05—20

中圖分類號(hào)：TG44

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B