1Cr11M oNiW 1VNbN鋼堆焊司太立合金工藝

王紅海，沈陽威，張仁軍，吳海濤

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150046）

0 前言

受高速氣流沖刷、震動、沖擊等作用，汽輪機(jī)主蒸汽插管、閥座、閥碟等工件容易被損壞，影響機(jī)組正常運(yùn)行并危及安全。設(shè)計中往往在插管、閥座、閥碟等工件表面堆焊司太立硬質(zhì)合金，以增強(qiáng)其耐沖刷及抗震和耐沖擊能力，提高工件的使用壽命，保證機(jī)組安全運(yùn)行[1-2]。

1Cr11MoNiW1VNbN鋼為馬氏體耐熱鋼，合金元素含量高、碳當(dāng)量大，焊接性差，焊接過程中需要嚴(yán)格控制焊接參數(shù)。司太立合金強(qiáng)度高、塑韌性差、導(dǎo)熱率低、硬度高，焊接過程中極易出現(xiàn)焊接裂紋[3]。綜合以上因素，在1Cr11MoNiW1VNbN鋼上堆焊司太立合金難度大，需制定合理的焊接工藝以滿足生產(chǎn)要求。在此通過研究焊材及本體焊材，選定理想的過渡層材料，制定合理的焊接規(guī)范，以期獲得理想的司太立合金堆焊層。

1 1Cr11M oNiW 1VNbN鋼材料性能

1Cr11MoNiW1VNbN鋼為改進(jìn)型12%Cr馬氏體不銹鋼，綜合性能優(yōu)越，除具有較高的熱強(qiáng)性以及較好的減震性和抗松弛性能外，還具有較高的抗拉強(qiáng)度及屈服極限、良好的抗高溫氧化和抗蠕變性能，廣泛應(yīng)用于汽輪機(jī)高溫葉片、主汽閥閥座和緊固件，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1、表2所示。該材料作為一種碳當(dāng)量較高的馬氏體鋼，焊接時存在冷裂紋、接頭脆化等問題，焊接及補(bǔ)焊會有一定的難度，需要采取一些措施。

表1 1Cr11M oNiW 1VNbN的化學(xué)成分%

表2 1Cr11M oNiW 1VNbN的力學(xué)性能

2 焊接方法

堆焊司太立合金可采用氧-乙炔氣焊、鎢極氬弧焊、焊條電弧焊和等離子弧焊等多種方法，各種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。焊條電弧堆焊和氧-乙炔火焰堆焊生產(chǎn)效率較低，勞動環(huán)境差，對焊工技術(shù)水平要求苛刻；埋弧焊稀釋率相對較高；激光、等離子弧等高能束焊以及摩擦堆焊具有工藝設(shè)備復(fù)雜、生產(chǎn)成本高的缺點(diǎn)。而鎢極氬弧焊相對成本低，勞動環(huán)境好，堆焊質(zhì)量優(yōu)良，廣泛應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)各種零部件的制造和修復(fù)中。另外，鎢極氬弧焊沒有電極熔化對弧長的影響，焊絲從側(cè)面向電弧送進(jìn)，不影響焊接電流。焊接工藝性能好，電弧燃燒穩(wěn)定，無飛濺，可獲得組織致密、性能優(yōu)越的堆焊層。堆焊工藝參數(shù)一經(jīng)確定，堆焊質(zhì)量易于保證，可靠性高，且易于實(shí)現(xiàn)自動化[3]。故在此選用機(jī)動鎢極氬弧焊設(shè)備進(jìn)行堆焊試驗(yàn)，研究適用于鎢極氬弧焊的試驗(yàn)工藝。

3 焊接材料的選擇

3.1 司太立合金焊材的選擇

選擇常用的司太立6#為堆焊材料，其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表3、表4所示。

表3 司太立6#合金的化學(xué)成分%

表4 司太立6#合金的力學(xué)性能一例[4]

3.2 過渡層的選擇

對比表2和表4可知，1Cr11MoNiW1VNbN基材與司太立合金焊材間的強(qiáng)度雖然較接近，但延伸率差別很大，且兩者的延伸率都不高，塑韌性差。1Cr11MoNiW1VNbN為馬氏體鋼，直接在其上堆焊司太立合金需要很高的預(yù)熱溫度，工藝復(fù)雜，且焊接過程中一旦產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，熱處理過程中升降溫速度控制不嚴(yán)格，極易產(chǎn)生焊接裂紋[5]。為了避免上述問題發(fā)生，綜合基材與焊材性能，選取ERNiCrMo-3焊材為過渡層焊材，ERNiCrMo-3的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表5、表6所示。

選擇ERNiCrMo-3作為過渡層的原因有：

表5 ERNiCrMo-3焊絲的化學(xué)成分%

表6 ERNiCrM o-3焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能

①鎳基材料焊接性好，抗冷裂紋能力強(qiáng)，可不預(yù)熱或低溫預(yù)熱焊接，減少司太立合金出現(xiàn)裂紋的幾率，同時降低工藝難度；②鎳基材料具有優(yōu)良的塑、韌性，變形能力良好，可以緩沖機(jī)組運(yùn)行過程中對合金層的沖擊；③ERNiCrMo-3鎳基高溫合金具有較ENiCrFe-3更高的使用溫度、更好的高溫性能，且接近于1Cr11MoNiW1VNbN鋼和司太立合金的強(qiáng)度。

4 焊接工藝試驗(yàn)

4.1 預(yù)熱及層間溫度

1Cr11MoNiW1VNbN鋼焊接時需采用有效的預(yù)熱措施來防止氫致裂紋的產(chǎn)生。堆焊ERNiCrMo-3預(yù)熱溫度為150～200℃，堆焊司太立合金的預(yù)熱溫度相對較高，試驗(yàn)證明理想的預(yù)熱溫度為大于等于315℃，層間溫度控制在450℃以內(nèi)。

4.2 焊接參數(shù)

焊接參數(shù)如表7所示。

表7 焊接參數(shù)

4.3 焊后熱處理參數(shù)

焊后熱處理是防止焊接延遲裂紋和改善焊接接頭性能的重要措施。ERNiCrMo-3過渡層焊后將工件放在150～200℃爐中保溫2 h開始升溫，保溫650℃×4 h，升降溫速度小于等于55℃/h。過渡層焊后熱處理工藝如圖1所示。司太立合金焊后將工件放在溫度高于315℃的爐中保溫緩冷至100℃，在100℃保溫2 h后開始升溫，保溫650℃×4 h，升降溫速度小于等于55℃/h。焊后熱處理工藝如圖2所示。

圖1 ERNiCrMo-3過渡層焊后熱處理工藝

圖2 司太立合金焊后熱處理工藝

5 結(jié)果

5.1 焊后檢測結(jié)果

過渡層及司太立合金焊后都進(jìn)行滲透探傷及超聲波探傷，試驗(yàn)結(jié)果合格，未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷。

5.2 金相檢驗(yàn)結(jié)果

過渡層及司太立合金焊后的微觀金相圖片如圖3所示。

圖3 堆焊后的微觀金相結(jié)果（200×）

經(jīng)宏觀及微觀金相檢測，在過渡層與1Cr11MoNi W1VNbN母材之間、過渡層與司太立焊層之間以及司太立焊層等橫截面處，均未發(fā)現(xiàn)裂紋等焊接缺陷，焊接結(jié)果合格。

5.3 硬度檢查

各區(qū)域顯微硬度結(jié)果如表8所示，司太立焊層硬度值滿足司太立合金硬度要求。

表8 焊接接頭硬度 HV

6 結(jié)論

（1）通過研究1Cr11MoNiW1VNbN母材、司太立合金焊材、ERNiCrMo-3焊絲的力學(xué)性能，確定用ERNiCrMo-3焊絲焊接過渡層再堆焊司太立焊層以提高工件質(zhì)量的方案。

（2）通過試驗(yàn)制訂詳細(xì)的GTAW方法堆焊及熱處理工藝，限定預(yù)熱溫度、熱處理參數(shù)、焊接參數(shù)等關(guān)鍵工藝參數(shù)，獲得滿足使用要求的理想堆焊層，驗(yàn)證了焊接工藝的可行性，實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)生產(chǎn)的目的。

[1]陳麗娟，孫忠民，張麗艷.超臨界主蒸汽進(jìn)汽插管堆焊司太立合金試驗(yàn)研究[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2007，49（4）：314-316.

[2]趙健，劉霞，李玉艷.1 000MW汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸硬質(zhì)合金堆焊技術(shù)的應(yīng)用[J].熱力透平，2010，39（1）：79-81.

[3]李玉龍，禹業(yè)曉.TIG堆焊技術(shù)研究進(jìn)展[J].電焊機(jī)，2012，42（12）：70-76.

[4]劉玉珍，桂業(yè)偉.司太立合金的性能及應(yīng)用[J].機(jī)械工程材料，1992，16（6）：1-5.

[5]劉雙明，裴玉冰，肖杰.汽輪機(jī)閥座堆焊開裂原因分析與對策[J].大型鑄鍛件，2012，7（4）：27-30.