HR3C钢采用Thermanit617及YT-HR3C焊丝焊接接头高温短时强度性能试验.doc

2011．09
中国 成都 第九届电站金属材料学术年会
HR3C钢采用Thermanit 617和YT-HR3C焊丝焊接接头高温短时强度性能试验
林志华 孔雁 徐强 吴明生 上海电力建设有限责任公司
摘 要：本文通过对采用配套焊材YT-HR3C和镍基合金Thermanit 617焊材焊接HR3C钢的焊接接头，在四个不同温度条件下的高温短时强度性能对比试验，试验结果表明镍基合金焊材Thermanit 617焊接HR3C钢的焊接接头高温短时强度性能高于YT-HR3C焊材的焊接接头。
关 键 词：HR3C钢 镍基合金焊材 高温短时强度
0 前言
超超临界（USC）火力发电机组是有效利用能源的一项新技术。目前，USC锅炉受热面中的过热器、再热器处于环境恶劣的条件之下，所用钢材在满足持久强度、蠕变强度要求的同时，还要满足管子外壁抗烟气腐蚀及抗飞灰冲蚀性能、管子内壁抗蒸汽氧化性能，所以采用具有抗烟气腐蚀、抗高温腐蚀和高温蒸汽氧化能力强的高铬镍奥氏体钢HR3C。
1问题由来
现在与HR3C钢相配套的YT-HR3C焊材由日本日铁住金溶接工业株式会社生产，不但价格昂贵而且市场无货，给工程安装焊接造成了很大的影响。为此，选用合理的镍基合金焊材来替代YT-HR3C焊材，在进行了焊接工艺评定的基础上，还针对不同工况温度条件下做了焊接接头高温短时强度试验，为充实焊接工艺评定项目提供数据。
HR3C钢采用由德国伯乐蒂森公司生产的镍基合金焊材Thermanit 617进行的焊接工艺评定，焊接接头的常温机械性能的各项试验数据均满足标准要求，但是对HR3C钢采用镍基焊材Thermanit 617焊接接头的高温短时强度性能仍存在疑虑。因此，我们通过对HR3C钢用配套的焊材YT-HR3C和HR3C钢用镍基焊材Thermanit 617焊接的接头做高温短时强度性能试验并将两者试验数据进行对比，如果后者的数值等同或超过前者，那么为工程上选用镍基合金焊丝焊接HR3C钢提供了一定的依据。
1000MW超超临界锅炉部件，采用HR3C钢的焊口数见表1。
表1 HR3C钢管的焊口
组件名称
材质
规格
数量（只）
焊丝用量约（Kg）
过热器
HR3C
Ф48.26×10.16
1672
236
再热器
HR3C
Ф60.32×4.66
2112
160
注：以上表内为外高桥电厂三期2×1000MW工程统计数据。
2试验条件和试验方法
2.1试验用材料
试验采用HR3C钢管规格为Ф48.26×10.16，V型坡口对接；焊接材料为YT-HR3C和Thermanit 617，直径Φ2.4；焊接位置为45°斜焊（6G）,两种焊材各焊接四只焊口；焊接方法为手工钨极氩弧焊（GTAW）；焊接设备为逆变焊机（ZX7-400ST）；保护气体高纯氩；钨极型号为Wc-20规格Φ2.5。HR3C钢管及YT-HR3C、 Thermanit 617焊丝的化学成分见表2，HR3C钢和Thermanit 617焊丝的常温机械性能见表3。
材 料
C
Cr
Ni
Mo
Nb
Mn
Si
S
P
N
Cu
Ti
Al
Co
Fe
HR3C
0.06
24.92
20.28
-
0.45
1.19
0.38
0.001
0.018
0.26
-
-
0.002
-
-
YT-HR3C
0.05
27.40
20.35
0.89
0.45
1.58
0.30
0.002
0.001
0.30
0.3
-
-
-
-
Thermanit 617
0.05
21.5
余量
9.0
-
0.1
0.1
0.001
0.003
-
0.01
0.5
1.0
11.0
1.0
表2试验用HR3C钢管及YT-HR3C、 Thermanit 617焊丝的化学成分（%）
表3 HR3C钢管和Thermanit 617焊丝的常温机械性能
材料牌号
Rp0.2(MPa)
Rm(MPa)
A（%）
HR3C（SPEC）
≥300
≥670
≥30
Thermanit 617（EN-1597-1 焊态）
450
700
30
注：YT-HR3C焊丝质保书内未提供常温机械性能数据。
2.2焊接工艺
焊接HR3C钢的主要问题是容易出现焊接高温裂纹。为了防止焊缝发生高温裂纹采用如下焊接工艺：（1）采用全钨极氩弧焊，封底焊管内充氩保护。（2）严格控制焊接热输入采用多层多道焊。（3）层间温度控制在不大于100℃。焊口的装配尺寸、焊层焊道分布见图1，焊后焊口外观见图2。

图1 焊口的装配尺寸和焊层焊道 图2 试件YT-HR3C（左）617（右）
为确保两种焊材所焊接的接头高温短时强度试验数据的可靠性，两种焊材焊接时尽可能采用相同的工艺参数（包括焊接电流、焊层厚度、焊接速度、冷却速度等），焊接工艺参数见表4、5。
表4 Thermanit 617焊丝焊接HR3C钢的工艺参数
焊层
焊道
电流极性
焊丝直径(mm)
层间温度（℃）
电流 （A）
电压 （V）
速度（mm/min）
氩气流量L/min
焊道
厚度（mm）
点焊
DC-
Φ2.4
30
100
10-11.5
37
正8/背9
≤3
1/1
DC-
Φ2.4
70
92
10-11
35
正8/背9
≤3
2/2
DC-
Φ2.4
77
100
10-11.5
65
7
≤2
3/3
DC-
Φ2.4
75
100
10-11.5
90
7
≤2
3/4
DC-
Φ2.4
85
100
10-11.5
65
7
≤2
4/5
DC-
Φ2.4
81
100
10-11.5
70
7
≤2
4/6
DC-
Φ2.4
79
100
10-11.5
60
7
≤2
5/7
DC-
Φ2.4
77
100
10-11.5
65
7
≤2
5/8
DC-
Φ2.4
86
100
10-11.5
75
7
≤2
5/9
DC-
Φ2.4
83
100
10-11.5
63
7
≤2
表5 YT-HR3C焊丝焊接HR3C钢的工艺参数
焊层
焊道
电流极性
焊丝直径(mm)
层间温度（℃）
电流 （A）
电压 （V）
速度（mm/min）
氩气流量L/min
焊道
厚度（mm）
点焊
DC-
Φ2.4
30
100
10-11.5
37
正8/背9
≤3
1/1
DC-
Φ2.4
78
92
10-11
37
正8/背9
≤3
2/2
DC-
Φ2.4
59
100
10-11.5
48
7
≤2
3/3
DC-
Φ2.4
87
100
10-11.5
76
7
≤2
3/4
DC-
Φ2.4
77
100
10-11.5
65
7
≤2
4/5
DC-
Φ2.4
89
100
10-11.5
55
7
≤2
4/6
DC-
Φ2.4
75
100
10-11.5
55
7
≤2
5/7
DC-
Φ2.4
83
100
10-11.5
65
7
≤2
5/8
DC-
Φ2.4
80
100
10-11.5
60
7
≤2
5/9
DC-
Φ2.4
67
100
10-11.5
80
7
≤2
2.3试验内容及方法
试验内容：HR3C钢用配套的焊材YT-HR3C和HR3C钢用镍基合金焊材Thermanit 617焊接的接头分别做焊接接头布氏硬度、微观金相组织和高温短时强度性能试验。
高温短时强度性能试验温度为550℃、600℃、625℃、650℃四个温度段。
试验方法：试样按DL/T868-2004《焊接工艺评定规程》取样，高温拉伸试件按GB/T4338 -2006《金属材料 高温拉伸试验方法》加工Φ5(GR2)试样。硬度试验按GB/T 231-2009《金属布氏硬度试验》，在69－I型布洛维硬度试验机上进行试验。金相组织试验按GB/T13298-1991《金属显微组织检验方法》，在Axiovert 200MAT金相显微镜上进行。高温短时拉伸试验按GB/T4338-2006《金属材料 高温拉伸试验方法》，在AMSLER液压式万能材料试验机上进行试验。
3试验结果
对两组焊接接头布氏硬度、微观金相组织和焊接接头在不同温度下的高温短时强度试验数据进行对比。
3.1焊接材料为Thermanit617的焊接接头硬度结果见表6，硬度试样和宏观金相照片见图3、图4（02p、02y）。
3.2焊接材料为YT-HR3C的焊接接头硬度结果见表7，硬度试样和宏观金相照片见图3、图4（03p、03y）。
表6 HR3C小口径管对接焊，焊接材料为Thermanit617
试样编号
试验
温度(℃)
硬度
符号
左侧
母材
左侧热
影响区
焊缝
右侧热
影响区
右侧
母材
02P
26
HBW
2.5/187.5
193
197
209
195
209
222
207
201
205
197
197
213
189
193
205
02Y
26
HBW
2.5/187.5
193
197
209
213
222
232
193
205
222
201
222
227
197
197
201
注： P表示平焊位置，Y表示平焊位置。
表7 HR3C小口径管对接焊，焊接材料为YT-HR3C
试样编号
试验
温度(℃)
硬度
符号
左侧
母材
左侧热
影响区
焊缝
右侧热
影响区
右侧
母材
03P
26
HBW
2.5/187.5
197
189
189
197
209
209
182
209
207
193
205
215
189
189
205
03Y
26
HBW
2.5/187.5
189
182
189
201
213
213
191
207
243
199
201
217
189
189
199
注： P表示平焊位置，Y表示平焊位置。
02y硬度
02p硬度+
03p硬度
03y硬度
图3 硬度试样照片
02p金相
02y金相
03y金相
03p金相
图4金相试样照片

3.3焊接材料为Thermanit617和 YT-HR3C焊接HR3C钢的焊接接头的金相组织见表8。
表8 HR3C小口径管对接焊，焊接材料为Thermanit617和 YT-HR3C金相组织
项目
试验部位
显微组织
放大倍数
侵蚀液
备注
Thermanit617
焊材
母材
奥氏体
50×
铬酸
图5-a
熔合线
/
50×
铬酸
焊缝区
奥氏体枝晶
50×
铬酸
图5-b
YT-HR3C
焊材
母材
奥氏体
50×
铬酸
图6-a
熔合线
/
50×
铬酸
焊缝区
奥氏体枝晶
50×
铬酸
图6-b
3.4 Thermanit617焊接HR3C钢焊缝的微观金相图见图5；YT-HR3C焊接HR3C钢焊缝的微观金相图见图6。
图5-a
图5-b
图6-a

图6-b
100μm
100μm
100μm
100μm

3.5焊接材料为Thermanit617焊接接头高温短时强度试验结果见表9，试件断口见图7。
表9焊接材料为Thermanit617焊接接头高温短时强度试验数据
试样编号
试验温度(℃)
RP0.2(MPa)
Rm(MPa)
A(％)
备注
02P1
550
255
545
38.0
断母材
02P2
600
255
530
41.2
断母材
02P3
625
230
515
27.0
断母材
02P4
650
230
505
32.0
断母材
02Y1
550
245
565
40.0
断母材
02Y2
600
240
525
断标外
断母材
02Y3
625
225
520
40.0
断母材
02Y4
650
235
510
38.0
断母材
注：P表示平焊位置Y表示仰焊位置，RP0.2和A数据仅供参考。
图7焊接材料为Thermanit617焊接接头高温短时强度试验试样
02p1(550℃)
02p2(600℃)
02p3(625℃)
02p4(650℃)
02y1(550℃)
02y2(600℃)
02y3(625℃)
02y4(650℃)

3.6焊接材料为YT-HR3C焊接接头高温短时强度试验结果见表10，试件断口见图8。
表10焊接材料为YT-HR3C焊接接头高温短时强度试验数据
试样编号
试验温度(℃)
RP0.2(MPa)
Rm(MPa)
A(％)
备注
03P1
550
235
510
34.0
断焊缝
03P2
600
220
495
29.0
断焊缝
03P3
625
230
455
19.0
断焊缝
03P4
650
230
470
26.0
断焊缝
03Y1
550
220
520
34.0
断焊缝
03Y2
600
230
470
25.0
断焊缝
03Y3
625
215
470
28.0
断焊缝
03Y4
650
225
460
24.0
断焊缝
注：P表示平焊位置Y表示仰焊位置，RP0.2和A数据仅供参考。
03p1(550℃)
03p2(600℃)
03p3(625℃)
03p4(650℃)
03y1(550℃)
03y2(600℃)
03y3(625℃)
03y4(650℃)
图8焊接材料为YT-HR3C焊接接头高温短时强度试验试样

3.7试验结果
3.7.1采用镍基合金Thermanit 617和YT-HR3C焊材焊接HR3C钢焊后焊缝的硬度平均值分别为HB205.5和HB206.5基本一致。
3.7.2二种焊丝焊后的焊缝金相组织均为奥氏体枝晶。
3.7.3四个温度段高温短时强度的平均值见表11。
表11高温短时强度的平均值
温度（℃）
高温短时强度的平均值（MPa）
Thermanit 617
YT-HR3C
550
555
515
600
527.5
482.5
625
517.5
462.5
650
507.5
465
以上数据显示采用Thermanit 617焊丝焊后的四个温度段高温短时强度数据的平均值均高于YT-HR3C焊丝高温短时强度值，前者的试件拉伸后均断在母材上，后者则断在焊缝上。
4结论
4.1 HR3C钢属高铬镍新型奥氏体不锈钢，其焊接工艺有别于常规的奥氏体不锈钢，必须优先采用钨极氩弧焊（GTAW）焊接方法，焊接时需严格控制焊接热输入量，宜采用多层多道薄层焊，每道焊缝厚度≤2mm，层间温度控制在不大于100℃。
4.2 采用Thermanit 617镍基合金和YT-HR3C焊丝焊接HR3C钢焊后焊缝的硬度平均值基本相同，焊缝金相组织均为奥氏体枝晶，而Thermanit 617焊丝的焊接接头的550℃、600℃、625℃和650℃的四个温度段的高温短时强度值均高于YT-HR3C焊丝的焊接接头高温短时强度值。
4.3 Thermanit 617镍基合金焊丝与HR3C钢均为奥氏体材质，600℃时Thermanit 617焊丝的高温持久强度为186.2MPa［2］，HR3C钢的高温持久强度为172.5MPa［1］前者高于后者，日本日铁住金溶接工业株式会社生产的YT-HR3C焊丝未提供高温持久强度数据。
综上所述，采用Thermanit 617镍基合金焊丝焊的HR3C钢的焊接接头所做的高温短时强度性能试验充实了该钢材的焊接工艺评定项目，为工程上焊接HR3C钢提供了数据。

参 考 文 献
［1］杨富、张应霖等：《新型耐热钢焊接》 中国电力出版社 2006年7月。
［2］德国伯乐蒂森焊接技术公司：提供资料。

200