T91_T92钢与不锈钢焊接接头硬度偏高的原因及热处理工艺优化.pdf

第卷第期上海金属，年月，作 者 简 介：陈 俊 峰，男，工 程 师，主 要 从 事 电 站 锅 炉 制 造 工 艺 焊 接 及 热 处 理 技 术 的 应 用 与 研 究，：钢 与 不 锈 钢 焊 接 接 头 硬 度 偏 高 的 原 因 及 热 处 理 工 艺 优 化陈 俊 峰魏伏尹锋（东 方 电 气 集 团 东 方 锅 炉 股 份 有 限 公 司，四 川 自 贡）【摘 要】从 焊 接 电 流、焊 后 热 处 理 温 度 及 热 处 理 设 备 三 方 面，对 超（超）临 界 电 站 锅 炉 与 不 锈 钢 焊 接 接 头 钢 侧 热 影 响 区 硬 度 偏 高 的 原 因 进 行 了 分 析 和 试 验 验 证，提出 了 相 应 对 策。结 果 表 明：焊 接 电 流 对 焊 接 接 头 硬 度 的 影 响 较 小。焊 后 热 处 理 温 度 低 于 的 异 种 钢 接 头钢 侧 热 影 响 区 硬 度 偏 高。该 异 种 钢 焊 口 排 列 发 生 位 移、履 带 式 电 热 器 焊 后 局部 热 处 理 的 有 效 加 热 范 围 较 小 是 造 成 接 头钢 侧 热 影 响 区 硬 度 偏 高 的 主 要 原 因。因 此，焊 后热 处 理 温 度 宜 选 择 为 ，并 提 出 了 一 种 新 型 马 弗 炉 焊 后 局 部 热 处 理 方 法，其 有 效 加 热宽 度 为，能 保 证 焊 后 热 处 理 效 果。【关 键 词】钢，不 锈 钢，异 种 钢 焊 接，硬 度，焊 后 热 处 理中 图 分 类 号：；文 章 编 号：（）（，）【】，【】，上海金属第卷 近 年 来，保 护 环 境 已 成 为 大 型 发 电 设 备 制 造 企业 一 项 重 要 且 迫 切 的 战 略 任 务，大 容 量、高 参 数、低耗 煤、超 净 排 放 已 成 为 火 力 发 电 机 组 发 展 的 必 然 趋势。更 高 温 度 与 压 力 的 锅 炉 机 组 对 材 料 性 能 提 出 了更 高 要 求，而 高 温 高 压 运 行 条 件 下 的 材 料 要 求 具 有良 好 的 高 温 强 度 和 优 异 的 抗 氧 化 性 能。目 前 同种 钢 的 焊 接 和 热 处 理 工 艺 已 经 相 对 成 熟，但 异 种 钢的 焊 接 和 热 处 理 仍 存 在 一 些 问 题。钢 与 不 锈 钢 焊 接 接 头 是 某 公 司 超（超）临 界 锅 炉 机 组“三 大 管 屏”（高 温 过 热 器、屏 式 过 热 器、高 温 再 热 器）的 常 见 设 计 结 构，“三 大 管 屏”进 出 口 端均 存 在 同 类 焊 缝，主 要 以、以 及钢 为 主，根 据 不同 部 位 的 设 计、运 行 温 度 和 压 力 的 不 同 采 用 不 同 材 质组 合，其 典 型 的 设 计 结 构 如 图所 示。硬 度 指 标 能 够 反 映 材 料 弹 性、塑 性、强 度、韧图某 工 程 高 温 过 热 器 材 料 分 界 图 性 及 磨 损 抗 力，硬 度 检 测 也 被 广 泛 应 用 于 无 损 状态 下 材 料、焊 缝 和 焊 缝 热 影 响 区 的 质 量 监 督，火 力 发 电 厂 金 属 技 术 监 督 规 程 中 规定 钢 侧 热 影 响 区 硬 度 应 控 制 在 。在 超（超）临 界 锅 炉 运 行 过 程 中，“三 大 管 屏”钢 与 不 锈 钢 焊 接 接 头钢 侧 热 影 响 区 出 现 了 硬 度 偏 高 和 失 效 开 裂 的质 量 问 题。经 检 验 发 现，异 种 钢 接 头 钢侧 热 影 响 区 起 裂 于 焊 缝 覆 盖 层 熔 合 线 粗 晶 区，裂纹 从 外 壁 萌 生，沿 垂 直 于 壁 厚 方 向 向 内 壁 呈 阶 梯状 扩 展，裂 纹 两 侧 有 少 量 短 小 的 沿 晶 裂 纹（图）。“三 大 管 屏”异 种 钢 焊 接 接 头 的 硬 度 试 验 结果 如 表所 示，对 比 发 现 部 分 硬 度 高 于 的 规 定 值，尤 其 是 高 温 再 热 器 异 种 钢接 头 的 硬 度 偏 高。图某 电 厂 开 裂 的 高 温 再 热 器 异 种 钢 焊 接 接 头 焊 口 本 文 主 要 从 焊 接 电 流、焊 后 热 处 理 温 度 及 热处 理 设 备 三 方 面，对 热 丝焊 钢 与 不锈 钢 接 头 钢 侧 热 影 响 区 硬 度 偏 高 的 原 因进 行 了 分 析 和 试 验 验 证，提 出 了 相 应 对 策。表异 种 钢 焊 接 接 头 硬 度 部 件 名 称异 种 钢 焊 接 接 头 材 质 组 合硬 度 屏 式 过 热 器；高 温 过 热 器；高 温 再 热 器 试 验 材 料试 验 选 择钢 代 表 钢 材质 进 行 异 种 钢 焊 接 试 验，钢 是 在钢 的 基 础 上 适 当 降 低 碳 含 量，添 加 微 量等 元 素 进 行 合 金 化，同 时 严 格 控 制、含 量 得到 的 改 进 型 马 氏 体 耐 热 钢；（）是 一 种 新 型奥 氏 体 不 锈钢，具 有 较 高 的 高 温 持 久 强 度 和 良 好 的 抗 氧 化性 能，两 种 钢 的 化 学 成 分 和 力 学 性 能 如 表所 示。第期陈 俊 峰 等：钢 与 不 锈 钢 焊 接 接 头 硬 度 偏 高 的 原 因 及 热 处 理 工 艺 优 化 表母 材 的 化 学 成 分 和 力 学 性 能 钢 号质 量 分 数 钢 号力 学 性 能 硬 度 钢 号质 量 分 数 钢 号力 学 性 能 晶 粒 度硬 度 试 验 结 果 焊 接 电 流 对 焊 接 接 头 硬 度 的 影 响采 用 热 丝焊 工 艺，车 床 加 工型 坡 口，采 用 符 合锅 炉 及 压 力 容 器 规 范卷篇 焊 条、焊 丝 及 填 充 金 属 的 焊 丝，焊 接 电 流 设 定 为 、共档，每 档 电流 下 制 备个 焊 接 接 头，经射 线 探 伤 检 测 合 格后 在（）保 温 后 冷 却（台 车 炉 整体 热 处 理）。将钢 侧 热 影 响 区 附 近 等 分个点 检 测 硬 度，每 个 点 测次 取 平 均 值，结 果 如 图所 示。可 见 焊 接 电 流 对 焊 接 接 头 硬 度 有 一 定 的 影响，但 硬 度 仍 满 足 标 准 要 求。焊 后 热 处 理 温 度 对 焊 接 接 头 硬 度 的 影 响采 用 台 车 炉 整 体 热 处 理 以 保 证 温 度 均 匀 性，焊 接 工 艺 参 数 如 表所 示。试 样 焊 后 经射 线 探伤 检 测 合 格 后，分 别 在、图焊 接 电 流 对 焊 接 接 头 硬 度 的 影 响 保 温，硬 度 检 测 结 果 如 图所 示。可 以 看 出，经 不 同 温 度 焊 后 热 处 理 后，钢 侧 热 影 响 区 硬度 变 化 较 大，在 以 下 热 处 理 的组 试 样 硬度 均 偏 高，以 上 热 处 理 的 异 种 钢 焊 接 接 头钢 侧 热 影 响 区 硬 度 为 ，满 足 标准 要 求。表焊 接 工 艺 参 数 焊 接 方 法焊 接 材 料焊 丝 规 格 焊 接 电 流 焊 接 电 压 焊 接 速 度（）保 护 气 体热 丝焊焊 丝 （体 积 分 数）热 处 理 设 备 对 焊 接 接 头 硬 度 的 影 响 台 车 炉 整 体 热 处 理根 据 节 分 析，采 用 合 适 的 焊 后 热 处 理 温度，焊 接 接 头 硬 度 能 满 足 标 准 要 求。在 产 品 实 际生 产 中，采 用 台 车 式 燃 气 炉 能 够 达 到 所 需 的 热 处理 温 度，但 处 于 奥 氏 体 不 锈 钢 的 敏 化 温 度 区，接 头的 耐 蚀 性 能 降 低，同 时 奥 氏 体 不 锈 钢 母 材 中 过 多的铁 素 体 会 造 成相 脆 化，从 而 降 低 母 材 的使 用 寿 命。因 此 为 了 避 免 对 不 锈 钢 母 材 的 不 利 影响，超（超）临 界“三 大 管 屏”焊 后 热 处 理 通 常 采 用局 部 热 处 理 方 法。上海金属第卷图焊 后 热 处 理 温 度 对 接 头钢 侧 热 影 响 区硬 度 的 影 响 履 带 式 电 热 器 局 部 焊 后 热 处 理对 不 超 过根 管 圈 的 异 种 钢 接 头 焊 口 采 用 履带 式 电 热 器 进 行 局 部 热 处 理。经 调 查 发 现，局 部热 处 理 的 接 头 硬 度 均 偏 高，因 此 对 履 带 式 电 热 器进 行 温 度 均 匀 性 测 试。在 焊 缝 中 心 及 两 侧 对 称 宽度 布 置 测 温 热 电 偶，控 温 热 电 偶 布 置 在 电 热 器 中心 并 与 电 加 热 器 一 一 对 应，电 热 器 外 采 用 硅 酸 铝纤 维 毯 进 行 保 温，试 验 测 量 了 加 热 片 宽 度 中 心 距离 边 缘 两 侧 均 分 点 位 的 实 际 温 度，装 炉 示 意 图 如图（）所 示，履 带 式 电 热 器 温 度 均 匀 性 测 试 曲 线如 图（）所 示。可 见 履 带 式 电 热 器 中 心 与 边 缘温 差 较 大，达 到 了，仅 宽 度 中 心 两 侧 各 约 范 围 内 温 度 能 够 达 到（）的 要 求。图履 带 式 电 热 器 局 部 热 处 理 温 度 均 匀 性 测 试 履 带 式 电 热 器 焊 后 局 部 热 处 理 的 有 效 加 热宽 度 约，根 据 坡 口 及 熔 合 情 况 产 品 焊 缝 宽度 约，因 此钢 与钢 接 头钢 侧 热 影 响 区 硬 度 仍 偏 高，可 能 与 产 品 的 制造 偏 差 有 关。由 于 焊 接、弯 管 等 工 序（先 焊 接 后弯 制）的 累 计 误 差，在“三 大 管 屏”产 品 进 口 端 或出 口 端 异 种 钢 焊 口 排 列 发 生 位 移，不 在 同 一 水平 线 上，如 图所 示。因 此，该 异 种 钢 焊 口 排 列发 生 位 移、履 带 式 电 热 器 局 部 热 处 理 的 有 效 加热 范 围 较 小，是 造 成 接 头钢 侧 热 影 响 区 硬度 偏 高 的 主 要 原 因。新 型 马 弗 炉 局 部 热 处 理对 现 有 热 处 理 设 备 进 行 优 化。新 型 马 弗 炉 局部 热 处 理 温 度 均 匀 性 测 试 过 程 和 曲 线 如 图所示。可 以 看 出，新 型 马 弗 炉 有 效 加 热 宽 度 约，可 完 全 覆 盖 不 在 同 一 水 平 线 上 的 焊 缝，保 证 热 处 理 效 果。图焊 缝 不 在 同 一 水 平 线 上 的 管 屏 焊 后 热 处 理 温 度 对 焊 接 接 头 显 微 组 织 的 影 响在 相 同 的 焊 接 工 艺 参 数 条 件 下，未 经 焊 后 热处 理 和 焊 后 在、分 别 保 温 的第期陈 俊 峰 等：钢 与 不 锈 钢 焊 接 接 头 硬 度 偏 高 的 原 因 及 热 处 理 工 艺 优 化 钢 与钢 接 头钢 侧 粗 晶 区 的 显微 组 织 如 图所 示。从 图（）可 以 看 出，未 经焊 后 热 处 理 的 焊 接 接 头钢 侧 热 影 响 区 硬 度 在 以 上，显 微 组 织 为 板 条 马 氏 体，粗 晶 区晶 粒 度 为 级，束 状 形 貌 特 征 明 显，浮 凸 显 著，束 内 板 条 边 界 稍 模 糊。从 图（）可 以 看 出，图新 型 马 弗 炉 局 部 热 处 理 温 度 均 匀 性 测 试 图未 经 焊 后 热 处 理（）和 在（）、（）、（）保 温 焊 后 热 处 理 的异 种 钢 接 头钢 侧 粗 晶 区 的 显 微 组 织 （）（），（），（）上海金属第卷左 右 焊 后 热 处 理 的 接 头钢 侧 热 影 响 区 硬 度 在 以 上，显 微 组 织 为 回 火 马 氏 体，板 条 马氏 体 位 向 清 晰，但 有 明 显 的 碳 化 物 析 出。从 图（）可 以 看 出，左 右 焊 后 热 处 理 的 接 头钢 侧 热 影 响 区 硬 度 为 左 右，显 微 组织 为 回 火 马 氏 体，碳 化 物 大 量 弥 散 析 出，由 于 碳 化物 沿 板 条 界 定 向 分 布，组 织 仍 有 较 明 显 的 板 条 马氏 体 位 向。从 图（）可 以 看 出，左 右 焊 后热 处 理 的 接 头钢 侧 热 影 响 区 硬 度 在以 下，显 微 组 织 为 回 火 马 氏 体，碳 化 物 大 量弥 散 析 出，组 织 仍 有 较 明 显 的 板 条 位 向。综 上，钢 与钢 焊 接 接 头 的 显 微 组 织、硬度 与 热 处 理 温 度 有 对 应 关 系，在 左 右 焊后 热 处 理 的 接 头 硬 度 满 足 标 准 要 求。分 析 与 讨 论焊 接 电 流 对 焊 接 接 头 的 硬 度 影 响 较 小。因此，只 要 选 择 合 适 的 焊 后 热 处 理 温 度，并 确 保 焊 接接 头 受 热 均 匀，钢 侧 热 影 响 区 硬 度 能 满 足 标准 要 求。焊 后 热 处 理 温 度 低 于，接 头钢 侧热 影 响 区 硬 度 偏 高。但 焊 后 热 处 理 温 度 过 高，有发 生 相 变 的 可 能，还 会 导 致 碳 化 物 粗 化，对 接 头 的高 温 性 能 不 利。因 此，焊 后 热 处 理 温 度 宜 为 。焊 后 热 处 理 温 度 偏 低 造 成 接 头 硬度 偏 高 的 主 要 原 因 是 碳 化 物 析 出 不 充 分，无 弥 散强 化 效 果，而 且 马 氏 体 板 条 内 高 密 度 位 错 运 动 受阻，导 致 硬 度 偏 高，这 从 经 不 同 温 度 焊 后 热 处理 的 接 头钢 侧 热 影 响 区 显 微 组 织 也 可 以 得 到验 证。台 车 炉 整 体 热 处 理 和 新 型 马 弗 炉 局 部 热 处 理都 可 以 有 效 保 证 焊 后 热 处 理 效 果。但 相 比 整 体 热处 理，新 型 马 弗 炉 局 部 热 处 理 的 有 效 加 热 区 仍 比较 有 限。整 体 热 处 理 虽 然 对 不 锈 钢 母 材 的 耐 蚀 性能 有 一 定 影 响，但 在 锅 炉 产 品 的 实 际 运 行 中 不 存在 腐 蚀 介 质，整 体 热 处 理 不 会 对 产 品 质 量 造 成 影响，在 马 弗 炉 局 部 热 处 理 不 能 保 证 热 处 理 效 果 的情 况 下 可 以 选 用。结 论（）在（）保 温 的 焊 后 热 处理 条 件 下，热 丝焊 焊 接 电 流 对 钢 与不 锈 钢 焊 接 接 头钢 侧 热 影 响 区 硬 度 的 影 响 较小。（）焊 后 热 处 理 温 度 对 钢 与 不 锈 钢焊 接 接 头钢 侧 热 影 响 区 硬 度 的 影 响 较 大，在 焊 后 热 处 理，钢 侧 热 影 响 区 硬 度均 满 足 标 准 要 求。（）采 用 履 带 式 电 热 器 局 部 热 处 理 的 有 效 加热 范 围 较 小，不 能 解 决 异 种 钢 焊 口 排 列 发 生 位 移的 问 题，新 型 马 弗 炉 局 部 热 处 理 的 有 效 加 热 宽 度为，能 够 保 证 焊 后 热 处 理 效 果。参 考 文 献王 起 江，洪 杰超 超 临 界 电 站 锅 炉 用 新 型 管 材 的 研 制 宝钢 技 术，（）：王 敬 忠，刘 正 东，包 汉 生，等中 国 超 超 临 界 电 站 锅 炉 关 键 材料 用 钢 及 合 金 的 研 究 现 状 钢 铁，（）：王 林，李 常 山 异 种 钢 焊 接 接 头 开 裂 的 原 因及 处 理 措 施 腐 蚀 与 防 护，（）：，李 杰 小 口 径 管 焊 接 接 头 性 能 及 其 调 整 研 究 上 海：上 海 交 通 大 学，王 学，张繤，占 良 飞，等 钢 组 织 退 化 行 为 及 对 高 温 持 久强 度 的 影 响 中 国 电 机 工 程 学 报，（）：，?，（），：利 波 尔 德，科 特 基不 锈 钢 焊 接 冶 金 学 及 焊 接 性 陈 剑虹，译北 京：机 械 工 业 出 版 社，董 超，许秖 罛，钱 灵 锋，等退 火 温 度 对 铁 素 体 基 轻 质 钢 组 织与 力 学 性 能 的 影 响 上 海 金 属，（）：黄 贞 益，肖 亚，侯 清 宇，等回 火 温 度 和 冷 却 方 式 对钢 组织 性 能 的 影 响 钢 铁，（）：解 瑞 雯，马 行 驰，袁 斌 霞，等 异 种 钢 焊 接 接头 微 观 组 织 和 硬 度 研 究 动 力 工 程 学 报，（）：修 回 日 期：