700 ℃關(guān)鍵部件驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)用617B合金焊接接頭組織和力學(xué)性能研究

王 碩， 刁旺戰(zhàn)， 楊 權(quán)， 譚舒平， 歐海燕

(1．哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046;2．高效清潔燃煤電站鍋爐國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150046)

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700 ℃關(guān)鍵部件驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)用617B合金
焊接接頭組織和力學(xué)性能研究

王 碩1,2， 刁旺戰(zhàn)1,2， 楊 權(quán)1,2， 譚舒平1,2， 歐海燕1,2

(1．哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046;2．高效清潔燃煤電站鍋爐國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150046)

采用熱絲TIG焊和手工TIG焊分別對(duì)617B合金進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，對(duì)焊接接頭進(jìn)行拉伸、彎曲和硬度試驗(yàn)，并利用光學(xué)顯微鏡分析了焊接接頭的微觀組織.結(jié)果表明：617B合金焊接接頭的延展性能良好，焊接接頭力學(xué)性能和硬度值均在理想范圍內(nèi);焊接接頭母材和熱影響區(qū)組織為單一奧氏體，并且熱影響區(qū)熱穩(wěn)定性較好，靠近熔合區(qū)的晶粒未發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)大現(xiàn)象，整個(gè)熱影響區(qū)寬度較窄；焊縫組織為典型的胞狀枝晶形態(tài).控制層間溫度和工藝參數(shù)可成功將617B合金應(yīng)用到700 ℃關(guān)鍵部件驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)上，且不需要焊后熱處理.

700 ℃關(guān)鍵部件驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)； 617B合金； 組織； 力學(xué)性能

鑒于大型高參數(shù)機(jī)組具有發(fā)電效率高、經(jīng)濟(jì)性高和可靠性高等特點(diǎn)[1-2]，大規(guī)模、高效率和高參數(shù)發(fā)電機(jī)組已經(jīng)成為我國(guó)電力規(guī)劃所明確的優(yōu)先發(fā)展對(duì)象.從技術(shù)上看，提高火電機(jī)組的主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度是提高其熱效率的最有效途徑[3]，也是火電技術(shù)未來核心的研究和發(fā)展方向.目前，超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)的主蒸汽溫度已經(jīng)達(dá)到600 ℃等級(jí)[4].與之相比，700 ℃超超臨界鍋爐技術(shù)的供電效率將由約44%提高至48%～50%，煤耗可降低40～50 g/(kW·h)，相應(yīng)減少粉塵、NOx、SO2等污染物以及CO2溫室氣體的排放量約14%，因此，700 ℃超超臨界鍋爐技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用對(duì)于實(shí)現(xiàn)我國(guó)火電結(jié)構(gòu)優(yōu)化和技術(shù)升級(jí)、保證能源工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.而700 ℃驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)的建立及運(yùn)行是700 ℃超超臨界鍋爐技術(shù)走向?qū)嶋H工程應(yīng)用必不可少的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié).700 ℃超超臨界試驗(yàn)平臺(tái)項(xiàng)目爐內(nèi)高溫部件由三大鍋爐廠分別制造，形成700 ℃關(guān)鍵部件驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)，宿主機(jī)組是華能南京電廠的2號(hào)機(jī)組.本文涉及的主要部件為過熱屏及爐頂管部件.

筆者重點(diǎn)對(duì)700 ℃關(guān)鍵部件驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)用617B合金的性能進(jìn)行研究，包括焊接工藝參數(shù)、焊接接頭力學(xué)性能和硬度以及焊接接頭微觀組織等.通過該試驗(yàn)平臺(tái)的制造，掌握了617B合金在700 ℃超超臨界鍋爐制造中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和寶貴的制造經(jīng)驗(yàn).

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

管屏整體結(jié)構(gòu)為U形，長(zhǎng)度為16 870 mm，寬度為824 mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示.每屏由4排管子組成，材料包括鎳基合金及SA-213 T92，管子之間以鎳基活動(dòng)夾塊及密封板等附件連接.鋼管規(guī)格為外徑44.5 mm,壁厚10 mm，管間節(jié)距為54 mm，彎頭的彎曲半徑R=250 mm，所有彎頭在同一平面內(nèi)，不存在空間彎.

圖1 管屏整體結(jié)構(gòu)

2 試驗(yàn)材料及焊接工藝

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為617B合金，鋼管規(guī)格為外徑44.5 mm,壁厚10 mm.交貨狀態(tài)為固溶熱處理狀態(tài)，固溶熱處理溫度為1 180 ℃，鋼管的主要化學(xué)成分見表1.試驗(yàn)采用TIG焊，Therminat 617焊絲規(guī)格為直徑1.0 mm和直徑2.4 mm，其化學(xué)成分和力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表2和表3.

表1 617B合金鋼管的主要化學(xué)成分

表2 Therminat 617焊絲的主要化學(xué)成分

Tab.2 Chemical composition of welding material Therminat 617 %

2.2 焊接工藝

2.2.1 手工TIG焊

手工TIG焊(M-GTAW)一般采用單面V形坡口，坡口角度為60°，間隙為2.0～3.0 mm，其坡口如圖2所示.焊前將坡口表面及兩側(cè)15～20 mm范圍的鋼管表面進(jìn)行打磨，并清除油污、氧化膜和銹蝕等，露出金屬光澤.裝配時(shí)，將管子墊置牢固，不得在管道上焊接臨時(shí)支撐物.

焊接時(shí)不需要預(yù)熱，層間溫度≤150 ℃，焊接參數(shù)見表4.為防止焊縫根部氧化，在打底焊第一層焊縫時(shí)，應(yīng)在管子內(nèi)部充氬氣.充氬氣時(shí)應(yīng)將一側(cè)進(jìn)行封堵以形成密閉的氣室，在第一層焊接即將結(jié)束時(shí)應(yīng)在封堵側(cè)留有一定的間隙.

焊層焊接方法填充金屬電流/A電壓/V保護(hù)氣體(100%Ar)體積流量/(L·min-1)全部M?GTAWTherminat617直徑2．4mm90～1409～14焊槍8～12背面6～8

2.2.2 熱絲TIG焊

熱絲TIG焊(H-GTAW)采用的坡口如圖3所示，在焊前需要對(duì)坡口兩側(cè)20 mm范圍內(nèi)去除氧化皮、油污等污物，且焊前不進(jìn)行預(yù)熱，焊后不需要熱處理.熱絲TIG焊的焊接參數(shù)見表5.

圖3 熱絲TIG焊坡口示意圖

焊層脈沖電流/A脈沖時(shí)間/s基值電流/A基值時(shí)間/s1185～1900．2135～1400．32～71800．4130～1350．4焊層平均電壓/V送絲速度/(mm·min-1)擺動(dòng)寬度/mm轉(zhuǎn)速/(r·min-1)18．96000902～79．0～10．51500～18003．0～12．5100～145

3 結(jié)果與分析

3.1 焊接接頭力學(xué)性能分析

采用M-GTAW和H-GTAW 2種焊接方法對(duì)617B合金鋼管進(jìn)行焊接，焊縫表面成型良好.對(duì)同種鋼焊接接頭進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)，結(jié)果見表6.其中，經(jīng)過焊后熱處理的試樣抗拉強(qiáng)度明顯高于未經(jīng)過焊后熱處理的試樣，并且斷裂位置均在焊縫處.熱絲TIG焊和手工焊接的抗拉強(qiáng)度值相近.試樣的彎曲試驗(yàn)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，表明617B合金焊接接頭的延展性能良好.由焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果可知，采用TIG焊并嚴(yán)格控制層間溫度和工藝參數(shù)可以獲得合格的焊接接頭性能.

表6 焊接接頭力學(xué)性能和彎曲性能試驗(yàn)結(jié)果

注：1)d為彎曲直徑；a為試樣厚度.

3.2 焊接接頭組織分析

采用光學(xué)顯微鏡對(duì)617B合金母材、焊縫和熱影響區(qū)的微觀組織進(jìn)行觀察，均未發(fā)現(xiàn)缺陷，組織形貌見圖4.由圖4可知，母材組織為單一奧氏體，奧氏體晶粒尺寸不均勻，母材組織存在一定的孿晶.焊縫金屬組織為典型的胞狀枝晶形態(tài)，在奧氏體晶界和枝晶界分布有析出相，其熱影響區(qū)組織為單一的奧氏體，由于在焊接過程中嚴(yán)格控制熱輸入，因此在靠近熔合區(qū)的晶粒并未發(fā)現(xiàn)明顯的長(zhǎng)大現(xiàn)象，并且整個(gè)熱影響區(qū)的寬度很窄.

(a) 母材

(b) 熱影響區(qū)

(c) 焊縫

3.3 焊接接頭硬度分析

圖5為617B合金焊接接頭顯微硬度分布圖.由圖5可知,焊后采用980 ℃空冷3 h熱處理的接頭焊縫和熱影響區(qū)的顯微硬度要低于焊后未進(jìn)行熱處理的顯微硬度.焊后未進(jìn)行熱處理的接頭硬度最高達(dá)240 HV10，雖然高于母材和熱影響區(qū)的硬度，但仍處于較佳的范圍.

圖5 焊接接頭顯微硬度

4 結(jié) 論

(1)617B合金可焊性良好，Thermanit 617焊絲的工藝性良好.

(2)617B合金焊接接頭的室溫拉伸性能和彎曲性能良好.焊縫顯微硬度高于母材和熱影響區(qū)，但試驗(yàn)值仍在合理范圍內(nèi).

(3)617B合金焊縫組織為典型的胞狀枝晶形態(tài)，熱影響區(qū)的寬度很窄.

(4)617B合金在700 ℃關(guān)鍵部件驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)制造過程中可以焊接后不進(jìn)行任何熱處理.

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Microstructure and Mechanical Properties of 617B Welded Joint for
Test Platform of 700 ℃ Critical Components

WANGShuo1,2,DIAOWangzhan1,2,YANGQuan1,2,TANShuping1,2,OUHaiyan1,2

(1. Harbin Boiler Co., Ltd., Harbin 150046, China; 2. State Key Laboratory of Efficient and Clean Coal-fired Utility Boilers, Harbin 150046, China)

Welding procedure tests of alloy 617B were conducted respectively by hot wire and manual TIG process, and the welded joints were subsequently researched by tensile, bending and hardness test, while the microstructure of welded joints was analyzed by means of optical microscope. Results show that the welded joint of alloy 617B has good ductility, and its mechanical properties including hardness values are within allowable range. The microstructure in base metal and heat affected zone is of the single austenite type, and good thermal stability is found in the heat affected zone; the grain size is found not to grow near the fusion line and the width of heat affected zone is narrow; the microstructure of the weld metal has the typical cellular dendrite morphology. The 617B alloy can be successfully applied to the test platform for 700 ℃ critical components by appropriately controlling the interpass temperature and welding parameters without post weld heat treatment.

test platform for 700 ℃ critical component; 617B alloy; microstructure; mechanical property

2016-01-18

王 碩(1986-)，男，黑龍江肇東人，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)椴牧涎芯颗c應(yīng)用. 楊 權(quán)(通信作者)，男，高級(jí)工程師，本科，電話(Tel．)：13845076542；E-mail：y81825q@163.com．

1674-7607(2016)10-0849-04

TG142.1

A 學(xué)科分類號(hào)：430.10