耐熱鋼與雙相不銹鋼異種材料焊接工藝

■ 周芳敏，趙瑞輝

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我公司制造的一臺(tái)預(yù)加氫進(jìn)料換熱器產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)如圖1所示，殼程主體為14Cr1MoR材料，規(guī)格為φ1700mm×34mm，設(shè)計(jì)溫度300℃，設(shè)計(jì)壓力5.6MPa，介質(zhì)為混合石腦油、循環(huán)氫等。管程主體為S22053材料，規(guī)格為φ1200mm×30mm，設(shè)計(jì)溫度350℃，設(shè)計(jì)壓力4.6MPa，介質(zhì)為預(yù)加氫產(chǎn)物。

管殼程通過殼程封頭與管程管板相焊成為一體（見圖1中焊接接頭編號(hào)D1、D2），封頭材料為14Cr1MoR，管板材料為S22053Ⅲ，兩種材料屬于不同類別，分別為Fe—4和Fe—10H，為耐熱鋼和雙相不銹鋼異種材料焊接。為保證焊接接頭性能，根據(jù)技術(shù)協(xié)議及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，分析兩種材料各自焊接性能及相互之間的差異，制定焊接工藝評(píng)定方案進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)，驗(yàn)證焊接工藝的正確性。

1. 焊接性分析

14Cr1MoR屬于低合金珠光體耐熱鋼、Fe—4類別，焊接性較差，具有冷裂紋、再熱裂紋、回火脆性等傾向，焊接時(shí)需采用焊前預(yù)熱，焊后緩冷及消氫處理的措施。要嚴(yán)格控制母材及焊縫金屬的P、Sn、As、Sb元素含量，選擇低氫焊接材料，采用低熱輸入焊接方法和工藝，縮小焊接接頭過熱區(qū)寬度，限制晶粒長(zhǎng)大。焊接后需進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，選擇合理的熱處理工藝參數(shù)，縮短在敏感溫度區(qū)間的保溫時(shí)間。

S22053屬于鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼，F(xiàn)e—10H類別，焊接性良好，焊前不需預(yù)熱，焊后不做熱處理。由于鐵素體含量較高，在300～500℃內(nèi)存在時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，將發(fā)生475℃脆性和由α→σ相變引起的脆化，焊接時(shí)應(yīng)注意層間溫度的控制，當(dāng)拘束度較大及焊縫金屬含氫量較高時(shí)，還存在焊接氫致裂紋的危險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)選擇低氫的焊接方法和焊接材料。

圖1 預(yù)加氫進(jìn)料換熱器結(jié)構(gòu)

兩種材料焊接工藝差異如表1所示。另外兩種材料在熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)等物理特性方面也存在較大差異，焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力。若直接采用異種鋼焊接材料進(jìn)行焊接，無法保證材料各自所要求的焊接工藝。為此，應(yīng)采用異種鋼焊接材料在14Cr1MoR側(cè)進(jìn)行堆焊，焊后進(jìn)行堆焊層的消除應(yīng)力熱處理，然后再采用與S22053相同性能的焊接材料進(jìn)行焊接。

2. 工藝評(píng)定試驗(yàn)方案

受材料所限，以公司現(xiàn)有材料15CrMoR代替14Cr1MoR進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，兩種材料為同一類組別Fe—4—1，按照NB/T47014標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行15CrMoR堆焊工藝評(píng)定試驗(yàn)和15CrMoR與S22053異種材料對(duì)接工藝評(píng)定試驗(yàn)，板厚及坡口形式如圖2所示，工藝評(píng)定試驗(yàn)采用的焊接參數(shù)如表2、表3所示。

15CrMoR堆焊采用焊條電弧焊方法，焊條選用ENiCrFe—3，焊后立即進(jìn)行670℃±10℃，4h的消除應(yīng)力熱處理，基層堆焊前預(yù)熱120～150℃，堆焊層道間溫度控制在≤150℃。

15CrMoR與S22053異種材料對(duì)接，首先在15CrMoR坡口側(cè)采用焊條電弧焊進(jìn)行堆焊，焊條選用ENiCrFe—3，焊后立即進(jìn)行670℃±10℃、4h的消除應(yīng)力熱處理，然后再采用氬弧焊打底，焊條電弧焊填充蓋面焊完其余層。氬弧焊焊絲選用ERNiCr—3，焊條選用ENiCrFe—3，坡口側(cè)堆焊前預(yù)熱120～150℃，堆焊道間溫度控制在≤150℃，對(duì)接焊道間溫度控制在≤150℃。

3. 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試件按以上擬定的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)方案進(jìn)行焊接、取樣、試驗(yàn)，堆焊試驗(yàn)結(jié)果如表4、表5所示，對(duì)接焊試驗(yàn)結(jié)果如表6～表8所示。

圖2 坡口形式

表1 14Cr1MoR和S32205材料焊接工藝差異

表2 堆焊工藝參數(shù)

表3 對(duì)接焊參數(shù)

表4 堆焊彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表5 堆焊化學(xué)分析試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可見，堆焊彎曲試樣無缺陷，熔敷金屬化學(xué)成分符合堆焊焊條標(biāo)準(zhǔn)要求，表明堆焊焊接工藝可以保證其坡口側(cè)堆焊的力學(xué)性能和化學(xué)成分要求。對(duì)接焊試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度高于母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最小抗拉強(qiáng)度值450 MPa，彎曲試驗(yàn)試樣受拉表面無缺陷，橫向沖擊試驗(yàn)試樣15CrMoR側(cè)熱影響區(qū)沖擊吸收能量值大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小值31J（10mm×10mm×55mm標(biāo)準(zhǔn)試樣）和15.5J（5mm×10mm×55mm小尺寸試樣），表明對(duì)接焊焊接工藝可以保證該異種材料焊接接頭的力學(xué)性能和沖擊韌性滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

4. 產(chǎn)品焊接工藝應(yīng)用

依據(jù)工藝評(píng)定試驗(yàn)，預(yù)加氫進(jìn)料換熱器產(chǎn)品編號(hào)D1、D2接頭14Cr1MoR坡口側(cè)采用焊條ENiCrFe—3進(jìn)行堆焊。堆焊前坡口側(cè)進(jìn)行100%MT檢測(cè)，確認(rèn)無缺陷，然后預(yù)熱至120～150℃進(jìn)行第一層堆焊，堆焊第二、三層道間溫度控制在150℃以內(nèi)，焊后立即進(jìn)行300～350℃、2h的后熱消氫處理，待殼程全部制作完成后，進(jìn)行（670±10）℃、1.6h的整體消應(yīng)力熱處理。熱處理后對(duì)坡口堆焊部分進(jìn)行機(jī)加工修磨，保證堆焊層厚度不低于5mm，并進(jìn)行100%PT檢測(cè)，確認(rèn)無缺陷，合格后與管程管板S22053Ⅲ材料進(jìn)行組對(duì)焊接。對(duì)接焊采用氬弧焊打底，背面通氬氣保護(hù)，焊條電弧焊填充蓋面，氬弧焊焊絲選用ERNiCr—3，焊條選用ENiCrFe—3，道間溫度控制在150℃以內(nèi)，焊后焊縫表面進(jìn)行100%PT檢測(cè)，確認(rèn)無缺陷。

表6 對(duì)接焊拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表7 對(duì)接焊彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表8 對(duì)接焊沖擊試驗(yàn)結(jié)果

5. 結(jié)語

預(yù)加氫進(jìn)料換熱器管殼程采用焊接方式連接，連接部位為耐熱鋼和雙相不銹鋼異種材料。兩種材料焊接性差異較大，采用焊條ENiCrFe—3在耐熱鋼坡口側(cè)進(jìn)行堆焊，并經(jīng)焊后消應(yīng)力熱處理，再與雙相不銹鋼采用氬弧焊打底，焊條電弧焊填充蓋面方式組對(duì)焊接。氬弧焊焊絲選用ERNiCr—3，焊條選用ENiCrFe—3，焊接過程控制預(yù)熱及道間溫度，經(jīng)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)驗(yàn)證，該焊接工藝可以保證產(chǎn)品焊接接頭力學(xué)性能及沖擊韌性滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

[1] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)編.焊接手冊(cè) 材料的焊接(第三版)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.