G115鋼焊接冷裂紋敏感性研究

張德金，危兆勝，2，王萍，2，劉海，2，徐祥久，2，路浩

1.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司 黑龍江哈爾濱 150046

2.高效清潔燃煤電站鍋爐國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 黑龍江哈爾濱 150046

3.西安石油大學(xué) 陜西西安 710065

1 序言

由于國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的要求越來(lái)越高，所以進(jìn)一步提高電站機(jī)組運(yùn)行參數(shù)是未來(lái)火電技術(shù)發(fā)展的必然方向。目前，投運(yùn)火電鍋爐二次再熱蒸汽的最高溫度是623℃。對(duì)于623℃機(jī)組溫度，如果提高到620～650℃，則整臺(tái)機(jī)組熱效率將提高約1%，對(duì)于百萬(wàn)千瓦級(jí)機(jī)組，熱效率提高1%將會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境效益。蒸汽入口溫度越高，機(jī)組鍋爐的熱效率也越高，但若蒸汽溫度再提高，則現(xiàn)有用于鍋爐制造的成熟材料已無(wú)法滿足運(yùn)行工況。目前，火電鍋爐行業(yè)已開(kāi)展620～650℃以及更高溫度工作參數(shù)的高效鍋爐研發(fā)工作。但更高參數(shù)的鍋爐研發(fā)，首先要有適應(yīng)更高工況參數(shù)的新型鍋爐材料。

電廠的鍋爐體積龐大，需要無(wú)數(shù)個(gè)焊接接頭將相同材質(zhì)和不同材質(zhì)的大管、小管、管接頭、鋼板及圓鋼等零部件連接起來(lái)，因此在研究新材料的同時(shí)，新材料的焊接也要同步進(jìn)行。而對(duì)新材料焊接性的研究尤為重要，再好的材料無(wú)法焊接，不能形成可靠的連接接頭，那么這個(gè)材料也無(wú)法用于產(chǎn)品生產(chǎn)。

G115鋼是高效超超臨界鍋爐關(guān)鍵部件的重要候選材料之一，本文針對(duì)G115新材料進(jìn)行系列冷裂紋敏感性試驗(yàn)研究，開(kāi)展焊接性評(píng)價(jià)及焊接工藝試驗(yàn)，為后續(xù)材料的生產(chǎn)應(yīng)用提供足夠的焊接技術(shù)儲(chǔ)備。

2 G115鋼介紹

600℃蒸汽參數(shù)火電機(jī)組商業(yè)化應(yīng)用后，國(guó)內(nèi)外研究人員都把目標(biāo)轉(zhuǎn)向了600℃以上更高參數(shù)的火電機(jī)組，而 620～650℃馬氏體耐熱鋼是蒸汽溫度跨越式提升的瓶頸問(wèn)題之一。日本NIMS較早開(kāi)始研究新型馬氏體耐熱鋼，日本的新日鐵住友金屬（Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation）在該領(lǐng)域也開(kāi)展了研究工作。而鋼鐵研究總院和寶鋼集團(tuán)公司在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展相關(guān)研究工作。

G115鋼是國(guó)內(nèi)新研發(fā)的9Cr-3W-3Co系馬氏體耐熱鋼，G115鋼是在傳統(tǒng)9Cr鋼的基礎(chǔ)上，增加W含量，不再添加Mo，而新添加Co和Cu，并通過(guò)添加B等微合金化元素，最終獲得優(yōu)異的蠕變性能[1]。G115鋼在620～650℃溫度下具有優(yōu)異的組織穩(wěn)定性，其650℃下的持久強(qiáng)度是SA-335P92鋼的1.5倍[2]。

馬氏體鋼焊接冷裂紋敏感性一般較高，生產(chǎn)過(guò)程中確定合理的預(yù)熱溫度是預(yù)防焊接冷裂紋行之有效的措施。G115鋼隨合金元素的加入，其結(jié)果也不同程度地增大了鋼的淬硬傾向及焊接裂紋的敏感性。在大批量的焊接生產(chǎn)作業(yè)中，過(guò)高的預(yù)熱溫度將會(huì)造成大量的能源浪費(fèi)，同時(shí)過(guò)高的預(yù)熱溫度也將給焊接操作者的焊接作業(yè)帶來(lái)困難，而若預(yù)熱溫度不足，則可能會(huì)產(chǎn)生焊接冷裂紋。因此，在經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的共同影響下，合適的焊接預(yù)熱溫度對(duì)于生產(chǎn)企業(yè)顯得尤為重要。

3 試驗(yàn)材料和方法

焊接試板采用G115大口徑管通過(guò)徑向切片后機(jī)加工而成，試驗(yàn)用焊條是專(zhuān)為G115鋼研發(fā)的匹配焊條，焊條藥皮為低氫型藥皮，焊前需350℃烘烤2h并放置在保溫筒內(nèi)隨取隨用，焊條直徑為4.0mm，焊條熔敷金屬主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。本文主要通過(guò)G115鋼化學(xué)成分間接估測(cè)母材焊接性及冷裂紋敏感性、斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)法及焊接熱影響區(qū)硬度試驗(yàn)法對(duì)G115鋼材料的冷裂紋敏感性進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，最終確定G115鋼材料的焊前預(yù)熱溫度。焊接設(shè)備采用北京時(shí)代ZX7-630S逆變焊機(jī)，預(yù)熱設(shè)備采用特制的輻射式電加熱器，溫度監(jiān)測(cè)采用高精度接觸式測(cè)溫儀，斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)法及焊接熱影響區(qū)硬度試驗(yàn)焊接參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 焊條熔敷金屬主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表2 試驗(yàn)用焊接參數(shù)

3.1 焊接性及冷裂紋敏感性間接估測(cè)

G115鋼主要化學(xué)成分見(jiàn)表3。由表3可知，G115鋼材料wC=0.06%～0.10%，可依據(jù)下式分別計(jì)算碳當(dāng)量及冷裂紋敏感性指數(shù)。

表3 G115鋼主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

依據(jù)新的碳當(dāng)量計(jì)算公式（該公式適用于wC=0.034%～0.254%的材料）：

式中 A（C——碳的適用系數(shù)。

A（C）＝0.75+0.25tanh（20wC－0.12）≈0.725。式中 tanh——雙曲線正切函數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，CEN=0.1%+1.628%=1.728%>0.6%，由此可知G115鋼屬于難焊材料，淬硬傾向較大。

根據(jù)焊接冷裂紋敏感性指數(shù)的計(jì)算公式，即

經(jīng)計(jì)算，Pcm=0.833%，一般認(rèn)為當(dāng)Pcm=0.2%～0.4%時(shí)，鋼材的焊接冷裂敏感性較低，Pcm值越高，冷裂傾向就越大。由此可知，G115鋼焊接冷裂紋敏感傾向大。

根據(jù)G115鋼材料的CEN及Pcm值，可以初步判斷材料焊接性較差，冷裂紋敏感傾向高。為了預(yù)防焊接冷裂紋，我們常用的方法是焊前預(yù)熱，但合適的預(yù)熱溫度往往需要大量的工藝試驗(yàn)研究最終確定。

3.2 斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)

斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)廣泛用于評(píng)價(jià)焊縫及其熱影響區(qū)內(nèi)焊接冷裂紋敏感性，通過(guò)該試驗(yàn)對(duì)G115鋼的冷裂紋敏感性進(jìn)行研究，可以得出預(yù)防焊接冷裂紋適宜的預(yù)熱溫度，同時(shí)作為母材和焊條組合的焊縫開(kāi)裂傾向試驗(yàn)。

本試驗(yàn)按GB 32260.2—2015《金屬材料焊縫的破壞性試驗(yàn) 焊件的冷裂紋試驗(yàn) 弧焊方法 第2部分：自拘束試驗(yàn)》規(guī)定進(jìn)行，試驗(yàn)用試件形狀及尺寸如圖1所示，焊接參數(shù)見(jiàn)表2。先焊接拘束焊縫，采用雙面焊接方式，防止產(chǎn)生角變形及未焊透。

圖1 斜Y形坡口裂紋試驗(yàn)試件形狀及尺寸

斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)推薦的試件厚度為9～38mm，本研究選擇15mm、38mm兩種試件厚度；預(yù)熱設(shè)備采用特制輻射式電加熱器，電加熱器具有方便快捷、受熱面均勻、溫度可控等特點(diǎn)，可隨時(shí)測(cè)量溫度變化，預(yù)熱溫度測(cè)定采用高精度接觸式測(cè)溫儀。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)推斷G115鋼焊接難度不低于P92，對(duì)于不預(yù)熱的試驗(yàn)完全沒(méi)有必要進(jìn)行，故本研究預(yù)熱溫度分別選定100℃、150℃、200℃，試驗(yàn)焊接參數(shù)見(jiàn)表2，焊接試件放置48h后進(jìn)行檢測(cè)。15mm、38mm厚G115試板斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4、表5，對(duì)應(yīng)的PT檢測(cè)及焊縫宏觀形貌分別如圖2、圖3所示。

圖2 15mm厚PT檢測(cè)及焊縫宏觀形貌

圖3 38mm厚PT檢測(cè)及焊縫宏觀形貌

表4 15mm厚G115試板斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果

表5 38mm厚G115試板斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果

斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)表明，焊接裂紋傾向除了與預(yù)熱溫度有關(guān)外，還與試件的厚度密切相關(guān)，試件越厚，其拘束度也越大[3]。

當(dāng)試件厚度為15mm時(shí)，試件拘束度較小，焊后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較??；在100～200℃預(yù)熱溫度下，焊縫表面PT檢測(cè)和截面宏觀檢測(cè)均無(wú)裂紋，表明當(dāng)G115鋼厚度≤15mm時(shí)，預(yù)熱100～200℃均無(wú)焊接冷裂紋產(chǎn)生。

當(dāng)試件厚度為38mm時(shí)，隨著拘束度增大，導(dǎo)致焊后殘余應(yīng)力增加，此時(shí)預(yù)熱100℃的試件表面PT檢測(cè)和截面宏觀檢測(cè)均出現(xiàn)了裂紋，預(yù)熱溫度到150℃及以上時(shí)，試件表面PT檢測(cè)和試樣截面宏觀檢測(cè)均無(wú)裂紋，說(shuō)明G115鋼厚度≥38mm時(shí)，預(yù)熱到150℃以上才能有效消除焊接冷裂紋。

在生產(chǎn)工藝中要有足夠的工藝余量，雖然試件厚度為15mm時(shí)，在100～200℃預(yù)熱溫度下均未產(chǎn)生焊接冷裂紋，但當(dāng)試件厚度為38mm時(shí)，隨著試件厚度的增加，在100℃預(yù)熱溫度下產(chǎn)生了焊接冷裂紋，因此在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)于G115鋼焊前預(yù)熱溫度應(yīng)從嚴(yán)執(zhí)行，即預(yù)熱溫度不應(yīng)小于150℃。

3.3 焊接熱影響區(qū)硬度試驗(yàn)

硬度是衡量材料軟硬程度的物理量，根據(jù)焊接熱影響區(qū)的最高硬度，可以相應(yīng)地評(píng)價(jià)材料的冷裂紋敏感性和淬硬傾向[4，5]。與碳當(dāng)量值相比，通過(guò)焊接熱影響區(qū)最高硬度能更好地判斷鋼種的淬硬傾向和冷裂紋的敏感性，因?yàn)樗粌H反應(yīng)了鋼種化學(xué)成分的影響，而且也反應(yīng)了金屬組織的作用，適用于焊條電弧焊。且因該試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單實(shí)用，故已被國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）納為標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)取樣位置及硬度檢測(cè)位置如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)取樣位置及硬度檢測(cè)位置

試件焊前預(yù)熱溫度分別選擇100℃、150℃、200℃，從試件上分別制備200mm×75mm×20mm與200mm×150mm×20mm規(guī)格的硬度試樣各3組（見(jiàn)表6），G115鋼母材熱影響區(qū)最高硬度曲線如圖5所示。

表6 熱影響區(qū)硬度試驗(yàn)分組

圖5 硬度測(cè)量曲線擬合

由圖5可知，試件1、2、3的熱影響區(qū)最高硬度略低，主要由于試件1、2、3尺寸較小，焊縫散熱較慢，一定程度上減緩了焊縫冷卻速度。試件4、5、6尺寸較大，焊縫散熱較快，一定程度上加快了焊縫冷卻速度，而預(yù)熱的目的就是為了減緩焊縫冷卻速度，故試件1、2、3的熱影響區(qū)最高硬度略低。

從圖5的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，試板從預(yù)熱100℃增加到150℃，熱影響區(qū)的最高硬度下降較多，試板從預(yù)熱150℃增加到200℃，熱影響區(qū)的最高硬度下降較少，因此G115鋼預(yù)熱溫度可控制在150～200℃，在此預(yù)熱溫度范圍內(nèi)焊接熱影響區(qū)硬度變化不大，趨于穩(wěn)定，對(duì)預(yù)防焊接冷裂紋具有實(shí)際的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）G115鋼的碳當(dāng)量為1.728%（>0.6%），因此G115鋼屬于難焊材料，淬硬傾向較大。G115鋼冷裂紋敏感指數(shù)Pcm=0.833%，故可以判斷材料焊接冷裂紋敏感性?xún)A向較大。

2）通過(guò)斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)、熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)結(jié)果及生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)考慮的工藝余量，G115鋼焊接時(shí)，焊前預(yù)熱溫度推薦為150～200℃，這個(gè)預(yù)熱溫度區(qū)間在生產(chǎn)實(shí)踐中是可行的，對(duì)企業(yè)批量生產(chǎn)作業(yè)也具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。