2.25%Cr與9%Cr異種材質(zhì)鑄件焊接性及接頭性能分析

李 浩 林紹斌 唐 波 魏 翔

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618013)

隨著市場和用戶需求的變化，鑄件產(chǎn)品種類和質(zhì)量要求越來越高，很多高端鑄件諸如高壓外缸進(jìn)氣端、超高壓主汽門調(diào)門閥殼、中壓主汽門閥殼等均需與不同材質(zhì)的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行焊接后交貨，相應(yīng)的鑄件焊接技術(shù)要求也趨于嚴(yán)苛。不僅需要掌握鑄件本體缺陷焊補修復(fù)技術(shù)，還要開發(fā)和拓展鑄件與鑄件之間、鑄件與鍛件之間的異種材質(zhì)的組合焊接技術(shù)，并形成完整有效的焊接工藝文件作技術(shù)支撐。

本文主要研究2.25%Cr材質(zhì)鑄件與9%Cr材質(zhì)鑄件焊接接頭的組織及力學(xué)性能，為其產(chǎn)品焊接提供試驗數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 2.25%Cr鑄件與9%Cr鑄件組焊工藝性分析

2.25%Cr材質(zhì)鑄件為珠光體耐熱鋼，主要合金元素鉻和鉬都能顯著提高鋼的淬硬性，它們和碳共同作用，使鋼的臨界冷卻速度降低，奧氏體穩(wěn)定性增大，冷卻到較低溫度時才發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生淬硬組織，使接頭變脆，容易導(dǎo)致冷裂紋。化學(xué)成分及力學(xué)性能要求見表1、表2。

表1 2.25%Cr材質(zhì)鑄件化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of 2.25%Cr castings(mass fraction，%)

表2 2.25%Cr材質(zhì)鑄件力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of 2.25%Cr castings

9%Cr材質(zhì)鑄件屬于高合金馬氏體耐熱鋼，材質(zhì)的焊接性較差，鑄件焊接或焊補過程既有冷裂傾向，又有熱裂傾向。特別是易出現(xiàn)焊接接頭脆化，HAZ區(qū)軟化等問題，焊縫及熱影響區(qū)極易產(chǎn)生硬脆的馬氏體組織，在焊接熱循環(huán)作用下，經(jīng)高溫過熱，焊縫及熔合線附近晶粒急劇長大，加之焊接應(yīng)力的作用，極易形成冷裂紋[1]。化學(xué)成分及力學(xué)性能要求見表3、表4。

表3 9%Cr材質(zhì)鑄件化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Chemical composition of 9%Cr castings (mass fraction，%)

表4 9%Cr材質(zhì)鑄件力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of 9%Cr castings

根據(jù)材料碳當(dāng)量計算公式：

計算出CE=0.86%，超過了0.6%，因此材質(zhì)裂紋傾向大。

根據(jù)材料冷裂敏感性指數(shù)(PCM)計算公式：

PCM=C+Si30+Cu20+Ni60+Cr20+Mo15+W10+5B

計算得出PCM=0.8%，材料冷裂傾向大，焊前預(yù)熱溫度要求高。

2 焊接材料的選擇

為了滿足2.25%Cr材質(zhì)鑄件與9%Cr材質(zhì)鑄件組焊后焊縫的力學(xué)性能，根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求，所選擇的焊接材料應(yīng)在滿足2.25%Cr材質(zhì)鑄件本體回火溫度時，焊縫性能能夠滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。采用低強匹配原則，選擇E9015-B3型號焊條，采用直流反接，合理選擇焊接參數(shù)，焊前焊條經(jīng)350～380℃烘干1～2 h，焊接質(zhì)量相對更加受控。

3 焊接工藝評定試驗

3.1 試板焊接過程

依據(jù)ASME Ⅸ《鍋爐及壓力容器規(guī)范標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)》的要求，分別準(zhǔn)備一件2.25%Cr材質(zhì)鑄件和9%Cr材質(zhì)鑄件的焊接工藝評定試板，尺寸為600 mm×220 mm×50 mm，坡口設(shè)計為小于等于60°的V形坡口。

試板裝配前對坡口進(jìn)行PT檢測，然后裝配固定，裝配間隙為2～4 mm，反變形量為15～20 mm。裝配后點焊固定，并在試板兩面(試板邊緣)采用拉筋固定點焊，焊接過程中隨時監(jiān)測變形情況，如有變形及時增補防變形拉筋。

采用SMAW焊接方法，焊前對坡口進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度不低于200℃，焊接過程嚴(yán)格控制層間溫度，應(yīng)低于300℃。先將正面焊至坡口深度13左右時，翻面采用金屬磨頭打磨清根，清根要清透，清根后進(jìn)行PT檢查確認(rèn)，然后進(jìn)行反面坡口焊接，反面坡口全部焊完后再翻面焊正面剩余坡口。焊接過程交錯施焊，每焊一道及時采用金屬磨頭、鋼絲刷或除磷針打磨焊縫，去除焊縫兩側(cè)的氧化渣，使焊縫表面露出金屬光澤，如有溝槽、咬邊等不易清除的缺陷，必須打磨干凈后才能繼續(xù)施焊。焊縫焊完后打磨焊縫表面，露出金屬光澤[2]。焊接工藝參數(shù)見表5。

3.2 焊接工藝評定試驗

焊后對試板進(jìn)行660～700℃的消應(yīng)熱處理。熱處理結(jié)束后，按照《ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范國際性規(guī)范IX》相關(guān)內(nèi)容和產(chǎn)品技術(shù)要求，對試板進(jìn)行RT、MT檢查。MT檢測未發(fā)現(xiàn)應(yīng)記錄的表面缺陷，焊縫RT檢測原始記錄見圖1。

無損檢測合格后進(jìn)行焊縫化學(xué)成分分析、焊接接頭的拉伸、彎曲、沖擊、金相組織、硬度等試驗，檢測結(jié)果見表6～表10、圖2。

表5 焊接工藝參數(shù)Table 5 Welding process parameters

圖1 焊縫RT檢測原始記錄Figure 1 Original record of RT detection for weld

表6 焊縫熔敷金屬化學(xué)成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 6 Analysis of chemical composition of weld deposit metal(mass fraction,%)

表7 焊接接頭拉伸試驗檢測結(jié)果與母材拉伸檢測結(jié)果對比Table 7 The results of tensile test of welded jointscompared with those of base material

表8 焊接接頭室溫側(cè)彎試驗檢測結(jié)果Table 8 Test results of weld joint bending test

表9 焊縫室溫沖擊試驗檢測結(jié)果Table 9 Test results of weld impact test

表10 高倍組織試驗結(jié)果Table 10 Test results of microstructure

以上試驗結(jié)果顯示，熔敷金屬化學(xué)成分中的主要元素成分值符合焊材質(zhì)量要求。異種材質(zhì)的焊接接頭抗拉強度(Rm)值均符合產(chǎn)品抗拉強度(Rm)應(yīng)不低于485 MPa的要求，焊接接頭規(guī)定塑性延伸強度(Rp0.2)值均符合產(chǎn)品規(guī)定塑性延伸強度(Rp0.2)應(yīng)不低于275 MPa要求。焊接接頭4件彎曲結(jié)果均符合單件試樣在焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)都不得有超過3.2 mm的開口缺陷的要求。焊縫沖擊試驗檢測結(jié)果均符合產(chǎn)品沖擊值應(yīng)不低于16 J的要求。對焊接接頭高倍金相組織進(jìn)行分析，2.25%Cr材質(zhì)一端的母材和熱影響區(qū)均為回火貝氏體組織，9%Cr材質(zhì)一端的母材和熱影響區(qū)均為回火馬氏體組織，焊縫為回火貝氏體組織。

通過以上試驗數(shù)據(jù)與鑄件產(chǎn)品技術(shù)要求對比得出結(jié)論，本次焊接工藝評定試驗結(jié)果滿足產(chǎn)品性能要求。

圖2 焊接接頭高倍組織(500×)Figure 2 Microstructure of welded joints(500×)

4 小結(jié)

(1)對2.25%Cr與9%Cr兩種材質(zhì)鑄件分別進(jìn)行焊接工藝性分析，結(jié)合鑄件產(chǎn)品性能要求，合理選擇E9015-B3焊條作為焊接材料，設(shè)定焊接參數(shù)，完成試板的焊接。

(2)為了降低兩種材質(zhì)試板焊接的裂紋敏感性，焊前必須對坡口進(jìn)行預(yù)熱，在焊接過程中嚴(yán)格控制層間溫度，并嚴(yán)格控制試板焊接變形量。

(3)嚴(yán)格按照ASME Ⅸ《鍋爐及壓力容器規(guī)范標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定對2.25%Cr與9%Cr材質(zhì)鑄件焊接工藝進(jìn)行評定，對焊接接頭進(jìn)行無損檢測和性能檢測等試驗，各項性能試驗結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求，該焊接工藝可行。