12Cr1MoV鋼用高韌性焊條的開發(fā)及應(yīng)用

羅永飛 李昊

摘要： 低合金耐熱鋼12Cr1MoV焊接預(yù)熱溫度高，給生產(chǎn)應(yīng)用帶來不便，為解決此問題，提出了一種12Cr1MoV用新型焊條，焊條成分設(shè)計中采用低碳加鎢的方式解決強(qiáng)度與韌性的匹配問題。對焊條進(jìn)行試驗驗證，試驗結(jié)果顯示焊條具有12Cr1MoV耐熱鋼相當(dāng)?shù)某亓W(xué)性能和高溫持久強(qiáng)度；同時焊條具有高的抗裂性，在室溫（20 ℃）下對厚度超過8 mm以上的12Cr1MoV耐熱鋼焊接可不預(yù)熱，且不需要后熱消氫。該焊條已在產(chǎn)品生產(chǎn)中得到應(yīng)用，具有較好的推廣價值。

關(guān)鍵詞： 新型；焊條；低碳加鎢；強(qiáng)韌性

中圖分類號： TG422

0 前言

隨著燃煤發(fā)電鍋爐參數(shù)和容量的不斷提升，鍋爐用低合金耐熱鋼管12Cr1MoV壁厚隨之不斷增加，特別是集箱筒身用管最厚已達(dá)到145 mm。此外，集箱筒身布滿大小管接頭后耳板等承壓承力件，進(jìn)一步加劇了集箱角焊縫的拘束度。高拘束度厚壁集箱角焊縫焊接面臨諸多問題，而焊接冷裂紋的問題尤為顯著。工程中焊接冷裂紋問題的主要是通過預(yù)熱來解決，12Cr1MoVG材料有標(biāo)準(zhǔn)推薦預(yù)熱溫度不小于120 ℃，也有推薦預(yù)熱溫度200～250 ℃。

對于厚壁集箱預(yù)熱，主要采用天然氣火焰、內(nèi)置式電加熱器和感應(yīng)加熱器。采用天然氣火焰加熱操作較為方便，但工作條件惡劣，同時厚壁集箱加熱時間長且難以保溫。若采用內(nèi)置式電加熱器或感應(yīng)加熱器，雖然比天然氣火焰加熱要快，但是設(shè)備能耗高，且準(zhǔn)備時間較長，使用不方便。集箱管接頭的焊接主要采用焊條電弧焊，按照焊接材料匹配選材原則，12Cr1MoV厚壁集箱焊接選用耐熱鋼焊條R317（E5515-1CMV），焊前預(yù)熱200～250 ℃。為了解決12Cr1MoV集箱焊接預(yù)熱問題，提出了一種新型高韌性焊條R317WHR，采用該焊條在室溫下焊接厚壁12Cr1MoV集箱可不預(yù)熱。

1 開發(fā)思路及技術(shù)路線

預(yù)熱的目的是避免焊接冷裂紋，如果降低預(yù)熱溫度或不預(yù)熱，則需要考慮提高焊接過程中接頭焊接冷裂紋敏感性。影響焊接冷裂紋的三要素是結(jié)構(gòu)的拘束度、擴(kuò)散氫與淬硬組織，在集箱結(jié)構(gòu)不變的情況下，焊條開發(fā)需從擴(kuò)散氫和焊縫組織入手，同時考慮熔敷金屬強(qiáng)度與韌性匹配、高溫持久強(qiáng)度匹配、高溫抗氧化性[1]匹配等問題。焊縫組織由成分決定，工程上從成分角度評估材料冷裂紋敏感性主要通過冷裂敏感指數(shù)Pcm和碳當(dāng)量Ceq。

基于以上考慮，提出了12Cr1MoV新型超低氫高韌性耐熱鋼焊條的基本思路：

（1）控制焊條的擴(kuò)散氫含量，達(dá)到超低氫HDM≤5 mL/100 g（IIW規(guī)定，水銀法或氣相色譜法）。

（2）降低焊條熔敷金屬元素碳（C），控制鉻（Cr）、鉬（Mo）、釩（V）的含量，即實現(xiàn)降低焊條熔敷金屬冷裂敏感指數(shù)（Pcm）和碳當(dāng)量（Ceq），提高焊條的抗冷裂性和韌性。

（3）嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素硫（S）和磷（P）的含量，增強(qiáng)晶界結(jié)合強(qiáng)度，降低焊條的熱裂紋傾向，提高焊條的抗熱裂性。

（4）由于降低了C和控制了Cr，Mo，V等元素的含量，勢必引起焊條熔敷金屬持久強(qiáng)度的下降，為了彌補(bǔ)持久強(qiáng)度的下降，所以在焊條中加入適量的金屬元素鎢（W），利用W、Mo聯(lián)合固溶強(qiáng)化，確保新焊條在560 ℃以下高溫持久強(qiáng)度不低于12Cr1MoV鋼的要求，同時兼顧焊條熔敷金屬的抗氧化性。

（5）新焊條應(yīng)具有良好的焊接工藝性，如飛濺少，易脫渣等。

整理上述思路，獲得圖1所示的技術(shù)路線。

R317WHR焊條焊芯采用H08A材質(zhì)盤元，與R317一致，熔敷金屬合金成分的調(diào)整主要通過藥皮成分調(diào)整實現(xiàn)， R317WHR焊條熔敷金屬成分范圍與R317對比見表1。

2 焊接試驗驗證

在確定焊材配方及熔敷金屬成分后，對焊材性能進(jìn)行測試驗證，主要包括典型組分的常溫力學(xué)性能，擴(kuò)散氫含量，冷裂紋敏感性和高溫持久性能。

2.1 典型組分的常溫力學(xué)性能試驗

根據(jù)表1熔敷金屬成分范圍要求，試制了多批次規(guī)格為4.0的R317WHR焊條，并且按GB/T 5118《熱強(qiáng)鋼焊條》的要求進(jìn)行了熔敷金屬力學(xué)性能試驗，焊后熱處理730±15 ℃/120 min，熔敷金屬化學(xué)成分見表3，常溫力學(xué)性能見表4。試驗結(jié)果顯示，隨著合金元素含量的降低，特別是隨著強(qiáng)化元素C， W的下降，熔敷金屬強(qiáng)度下降，接近標(biāo)準(zhǔn)下限但符合標(biāo)準(zhǔn)要求，延伸率和沖擊值大幅提高，改進(jìn)后R317WHR焊條韌塑性遠(yuǎn)高于改進(jìn)前R317焊條標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 擴(kuò)散氫測定

選擇表3中典型成分3號焊條，根據(jù)GB/T 3965—1995《熔敷金屬中擴(kuò)散氫測定方法》，烘干380 ℃×2 h，采用氣相色譜法測得焊條熔敷金屬擴(kuò)散氫含量為3.34 mL/100 g，3.25 mL/100 g，3.93 mL/100 g，4.20 mL/100 g，都在超低氫規(guī)定范圍內(nèi)（HDM≤5 mL/100 g）。

3號焊條烘干380 ℃×1 h，采用甘油法測得焊條熔敷金屬擴(kuò)散氫含量為0.58 mL/100 g，1.02 mL/100 g，也在超低氫規(guī)定范圍內(nèi)（H≤2 mL/100 g）。

2.3 斜Y小鐵研試驗

選擇表3中典型成分2號焊條，根據(jù)GB4675.1《焊接性試驗 斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法》，采用12Cr1MoV鋼，試板厚度為40 mm制備斜Y小鐵研標(biāo)準(zhǔn)試件，每個編號焊接2組試件。試件在放置48 h后，試驗焊縫檢驗結(jié)果見表5，只有C試件預(yù)熱溫度≤5 ℃時，出現(xiàn)裂紋，其余試件斷面和根部都無裂紋。試驗結(jié)果表明：在不低于10 ℃的常溫環(huán)境條件下（標(biāo)準(zhǔn)要求焊接作業(yè)環(huán)境溫度）， R317WHR焊條焊接厚壁12Cr1MoV鋼不會出現(xiàn)焊接冷裂紋。

2.4 焊條熔敷金屬和接頭高溫（560 ℃）持久強(qiáng)度試驗

選擇表3中2號焊條，焊接12Cr1MoV鋼對接接頭試板2組，焊前不預(yù)熱（常溫20 ℃），焊后熱處理（730±15） ℃×2.5 h，經(jīng)過超聲波（UT）Ⅰ級+射線（RT）Ⅱ級+磁粉（MT）Ⅰ級檢查，對接接頭焊縫合格。選取一組試板，沿焊接方向、同一軸線上取3根熔敷金屬試棒；另一組試板，在試板1/2厚度位置，沿試板寬度方向取3根焊接接頭試棒，按照GB/T 2039—1997《金屬拉伸蠕變及持久試驗方法》開展熔敷金屬及焊接接頭的持久試驗。熔敷金屬持久試驗后試樣照片如圖2所示，焊接接頭持久試驗后試樣照片如圖3所示試驗結(jié)果如圖4所示。

試驗結(jié)果顯示，熔敷金屬高溫持久強(qiáng)度遠(yuǎn)高于焊接接頭高溫持久強(qiáng)度，焊接接頭試樣全部斷裂于12Cr1MoV母材，反映R317WHR熔敷金屬持久強(qiáng)度高于母材持久強(qiáng)度。

3 實際應(yīng)用驗證

為了進(jìn)一步驗證R317WHR的冷裂紋抗裂性，開展了產(chǎn)品工藝模擬焊接試驗，驗證了與產(chǎn)品一致的應(yīng)用條件，分為集箱筒身對接環(huán)縫，大管接頭與筒身角接縫，小管接頭與筒身角接焊縫。模擬件焊接及檢驗如表6所示，對不同類型接頭焊接完成后放置24 h，探傷未發(fā)現(xiàn)任何缺陷。進(jìn)一步考察焊縫內(nèi)部質(zhì)量，對不同接頭取金相試樣進(jìn)行檢驗，未發(fā)現(xiàn)任何缺陷。

按NB/T47016要求對兩隊環(huán)縫試樣進(jìn)行檢驗，結(jié)果如表7所示，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

產(chǎn)品模擬試驗過程表明，在室溫（≥20 ℃）的條件下，R317WHR焊條不論是用于12Cr1MoV鋼對接焊，還是應(yīng)用12Cr1MoV鋼角接焊，焊接接頭均不會產(chǎn)生冷裂紋，且接頭力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)語

通過上述電站鍋爐高溫承壓件12Cr1MoV鋼常溫（20 ℃）焊接用R317WHR焊條的開發(fā)過程以及各項數(shù)據(jù)，可以得到以下結(jié)論和啟示：

（1）開發(fā)的R317WHR焊條可在常溫（20 ℃）環(huán)境下焊接12Cr1MoV鋼，不需要焊后后熱消氫。

（2）電站鍋爐承壓件用焊材開發(fā)不僅要進(jìn)行焊接工藝性和常規(guī)力學(xué)性能試驗，而且還應(yīng)進(jìn)行抗裂性和高溫持久強(qiáng)度等試驗。

（3）高校、焊材企業(yè)和應(yīng)用企業(yè)應(yīng)緊密合作，各用所長，有利于新焊材的開發(fā)，文中焊材開發(fā)過程，為更高參數(shù)電站鍋爐用焊材順暢研發(fā)有較好的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會編. 焊接手冊（第2卷）：材料的焊接（第3版）[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2007.