T91鋼高溫過熱屏自動焊裂紋分析及工藝確定

趙志明, 夏 靜

(1.太原鍋爐集團有限公司, 太原 030008； 2.山西醫(yī)科大學(xué), 太原 030001)

T91鋼是以T9鋼為基礎(chǔ)的,通過降低碳含量、增加合金元素釩和鈮、控制氫和鋁含量得到的鋼種。T91鋼不僅具有高的抗氧化性和耐高溫蒸汽腐蝕性，而且具有良好的沖擊韌性和高穩(wěn)定的持久塑性和熱強度。主要用于制造高溫過熱器和壁溫小于625 ℃的亞臨界、超臨界鍋爐高溫再熱器鋼管。由于T91鋼高溫過熱屏的結(jié)構(gòu)原因，其拘束應(yīng)力大,焊后易出現(xiàn)連續(xù)或斷續(xù)裂紋。為防止類似缺陷的產(chǎn)生，作者進行了一系列針對性試驗，通過接頭質(zhì)量分析，確定了T91鋼高溫過熱屏的焊接工藝。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

選用硫、磷元素含量較高的國內(nèi)某廠商生產(chǎn)的焊絲和硫、磷元素含量較低的國外某廠商生產(chǎn)的焊絲，分別進行扁鋼不開坡口和開K型坡口的T91鋼水冷壁自動焊接試驗。對所有用于T91鋼管排的原材料(母材、焊材)按JB/T 3375-2002《鍋爐用材料入廠驗收規(guī)則》[1]進行理化檢驗?；瘜W(xué)分析試樣按ASTM E1806《鋼和鐵化學(xué)成分測定的取樣標準實施規(guī)程》[2]對表面進行研磨預(yù)處理后，再用賽默飛ARL3460型分析儀按ASTM E415《用火花原子發(fā)射光譜法分析碳和低合金鋼的標準試驗方法》[3]進行化學(xué)分析，結(jié)果見表1 。室溫拉伸試驗試樣按SA-370 《鋼制品力學(xué)性能試驗的標準試驗方法和定義》[4]進行制備，使用NCS-GNT300Y型拉伸試驗機按ASTM E8M 《金屬材料拉伸試驗方法》[5]進行室溫拉伸試驗，結(jié)果見表2。使用ZEISS AXIO Vert.A1型金相顯微鏡分析顯微組織，其顯微組織均為回火馬氏體+回火索氏體。由表1和表2可知原材料符合SA-213/SA-213M《鍋爐、過熱器和熱交換器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》[6]和SA-387/SA-387M《壓力容器用鉻-鉬合金鋼板》[7]的成分分析，焊絲符合SFA-5.28/SFA-5.28M《氣體保護電弧焊用低合金鋼焊絲和填充絲標準》[8]的成分要求。

表1 試驗材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical compositions of the test materials (mass fraction) %

表2 試驗材料的拉伸性能Tab.2 Tensile properties of the test materials

1.2 試驗方法

T91鋼高溫過熱屏膜壁采用氣體保護單元屏焊接組裝。焊接前，對該屏進行全寬、長預(yù)熱，預(yù)熱溫度200～250 ℃。焊接后，保溫棉覆蓋慢冷；焊接電流上槍為220～260 A，下槍為200～250 A，焊接速度為650～700 mm·min-1，水冷壁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 T91鋼高溫過熱屏膜壁結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of membrane wall structure of T91 steel high temperature superheat screen

2 試驗結(jié)果與討論

在相同的焊接參數(shù)下進行焊接，采用國內(nèi)某廠商焊絲，扁鋼不開坡口焊接工藝，焊接完成后進行角焊縫磁粉檢測，發(fā)現(xiàn)焊縫中心出現(xiàn)長度在3～5 m的連續(xù)或斷續(xù)縱向裂紋，如圖2所示，裂紋宏觀形貌如圖3所示，對裂紋進行微觀分析，如圖4所示。由圖2～圖4可知，裂紋比較寬，尖端圓鈍，不尖細。裂紋邊緣平滑，呈直通發(fā)展，無微小裂紋短程串接的特征，屬熱應(yīng)力裂紋。該裂紋主要因為焊縫金屬中收縮應(yīng)變超過材料變形能力而產(chǎn)生，其力學(xué)因素是由于加熱和冷卻不均勻引起的不均勻熱應(yīng)變和剛性固定引起的應(yīng)力狀態(tài)，以及缺口處收縮應(yīng)變的應(yīng)力集中。在未焊透間隙，會本能地產(chǎn)生高應(yīng)力集中，如果焊縫根部存在一些焊接缺陷(夾渣、焊道或氣孔)，則應(yīng)力集中增加，甚至可能出現(xiàn)三維拉伸狀態(tài)，從而降低斷裂功，引起裂紋萌生和擴展。采用扁鋼開K型坡口焊接工藝, 焊接完成后進行角焊縫磁粉檢測，發(fā)現(xiàn)中心出現(xiàn)長度在2～3 m的連續(xù)或斷續(xù)縱向裂紋,如圖5所示，裂紋宏觀形貌如圖6所示，對試樣進行微觀分析，如圖7所示。由圖5～圖7可知，裂紋沿焊縫中心縱向開裂，焊縫組織為柱狀晶，焊接后立即出現(xiàn)裂紋，屬于熱裂紋也屬于結(jié)晶裂紋。在焊縫結(jié)晶過程中，由于凝固金屬收縮導(dǎo)致殘余液態(tài)金屬無法及時填充，所以在應(yīng)力作用下產(chǎn)生晶間裂紋。焊縫金屬中的柱狀晶相交中心處出現(xiàn)裂紋并沿中心發(fā)展。在焊縫金屬凝固后期，低熔點共晶被推到柱狀晶相交中心，形成所謂的“液膜”，成為焊縫的薄弱環(huán)節(jié)。硫、磷、硅等元素與鐵形成低熔點共晶。

圖2 焊縫縱向裂紋整體形貌(國內(nèi)焊絲+不開坡口)Fig.2 Overall morphology of longitudinal crack of weld (domestic welding wire+without groove)

圖3 裂紋宏觀形貌(國內(nèi)焊絲+不開坡口)Fig.3 Macro morphology of the crack (domestic welding wire+without groove)

圖4 裂紋微觀形貌(國內(nèi)焊絲+不開坡口)Fig.4 Micro morphology of the crack (domestic welding wire+without groove)

圖5 焊縫縱向裂紋整體形貌(國內(nèi)焊絲+開K型坡口) Fig.5 Overall morphology of longitudinal crack of weld (domestic welding wire+K-groove)

圖6 裂紋宏觀形貌(國內(nèi)焊絲+開K型坡口)Fig.6 Macro morphology of the crack (domestic welding wire+K-groove)

圖7 裂紋微觀形貌(國內(nèi)焊絲+開K型坡口)Fig.7 Macro morphology of the crack (domestic welding wire+K-groove)

采用國外某廠商焊絲在相同的焊接參數(shù)下進行焊接，焊接工藝為扁鋼不開坡口，焊接完成后進行角焊縫磁粉檢測，中心未出現(xiàn)縱向裂紋，對試樣進行微觀分析，如圖8所示。焊縫根部出現(xiàn)微裂紋，裂紋主要起源于母材與焊縫交界處，在焊縫根部應(yīng)力集中的最大部位產(chǎn)生。采用扁鋼開K型坡口焊接工藝進行焊接，焊接完成后進行角焊縫磁粉檢測，中心未出現(xiàn)縱向裂紋，成型良好，如圖9所示，對試樣進行微觀分析，焊縫及熔合區(qū)均未發(fā)現(xiàn)微缺陷。

圖8 根部微裂紋微觀形貌(國外焊絲+不開坡口)Fig.8 Micro morphology of root microcrack (foreign welding wire+without groove)

圖9 無裂紋宏觀形貌(國外焊絲+開K型坡口)Fig.9 Macro morphology without crack free (foreign welding wire+K-groove)

3 結(jié)論

T91鋼高溫過熱屏的最佳自動焊接工藝為，選用低硫、磷含量的焊絲，采用扁鋼開K型坡口的焊接工藝。選用低硫、磷含量的焊絲，相比高硫、磷含量的焊絲來說，T91鋼高溫過熱屏的結(jié)晶液化裂紋敏感性顯著降低了。采用扁鋼開K型坡口焊接工藝，相比扁鋼不開坡口焊接工藝來說，焊縫根部不易萌生微裂紋。