WB36钢焊接工艺评定.doc

1绪论
随着机组运行参数和单机容量的增加,加快了更高强度钢的开发。经过多年研究和试验,WB36钢被广泛应用于常规和核电站的高压和热水的设备上。WB36钢是一种Ni-Cu-Mo型低合金钢,在DIN中称为15NiCuMoNb5,由德国Thyssen钢厂研制生产(后来其他国家和地区也生产此种钢材),已作为耐热钢列入相应的标准,该种钢具有较高的强度和良好的焊接性能。在ASME中为1. 15Ni-0. 65Cu-Mo-Nb,主要用于壁温≤500℃的大口径Φ(76~660)mm锅炉用厚壁钢管、集箱、锅筒、管道等。WB36钢在火电工程中主要用于工作温度在280℃~360℃的给水管道系统,其与碳素结构钢相比可以减少壁厚15%~35%。WB36相对于SA106C,16Mo3等钢,加入了Nb使晶粒得到细化,获得了强化效果,加入了Cu使其又获得了沉淀强化。
1.1国内WB36钢的应用现状和发展趋势
目前,国内亚临界和超临界机组已经逐渐成为火力发电厂新安装的主流机组,机组的优化和参数的提高,必然促使越来越多的新材料出现和应用。WB36作为一种较新型的高温高压管道及联箱用钢,在焊接性能较好的前提下,具有较高的高温强度和冲击韧性,综合机械性能优良,用来代替锅炉常规的碳钢给水管道,既大大地减轻了管系的质量,减轻了加工、安装和维护的工作强度,节约了配套设施和材料,又提高了运行设备的可靠和稳定性。近几年来,在国内新建和扩建的300MW以上大容量机组中,已成为400℃以下给水系统管道用钢的首选材料。广泛应用于我国大中型电站建设中。WB36(15NiCuMoNb5)钢为Ni Cu Mo低合金钢,具有较高的强度和良好的焊接性能。目前已成为国内外高参数火电机组主给水管的首选材料。但是,该材料要求焊后立即热处理。这种热处理工艺对现场施工要求严格,工作效率低,特别不利于大批量工厂化施工作业。为解决WB36钢焊接质量问题,公司焊培中心通过对WB36钢的冷裂纹敏感性和焊后热处理试验及理论分析,总结出其焊接性的一般规律,并进行焊接工艺的优化和评定,指导焊接作业。在衡水电厂二期、邢台电厂等机组施工中,取得了良好的应用效果。为进一步提高WB36钢批量焊接施工的劳动效率,有针对性地对此钢种的延时热处理问题进行了研究。
1.2　国外WB36钢的应用现状和发展趋势
WB36钢是含Nb微合金化的贝氏体Ni-Cu-Mo钢，是德国蒂森钢厂、曼内斯曼钢厂和日本住友金属株式会社生产的Ni-Cu-Mo型低合金钢，已作为合金钢被列入VdTUV法规。15NiCuMoNb5，在EN 10216-2标准中牌号为15NiCuMo-Nb5*6-4，该钢的特点是具有较高的强度，且具有良好的的焊接性能，室温抗拉强度可达610Mp以上，屈服强度大于等于440MPa，主要用于臂温≤500℃锅炉厚汽包、集箱、分离器管道、四大管道中的高压给水再热冷锻的输放水系统。WB36钢完全可以替代国产20G钢管及SA106B级别的ASME法规钢管，从而可以大大减少管子壁厚和金属重量。在德国DIN标准中称为15NiCuMoNb5,在欧洲EN标准中牌号为15NiCuMoNb5-6-4,在美国ASME标准中称为1.15Ni-0.65Cu-Mo-Nb,广泛应用于壁温不大于500℃的锅炉用厚壁钢管、集箱、锅筒、管道等。一般直径为Φ200mm~Φ660mm,壁厚在20mm~90mm之间。
1.3　本章小结
基于WB36钢在国内外的广泛应用，又因为WB36钢完全可以替代国产20G钢管及SA106B级别的ASME法规钢管，从而可以大大减少管子壁厚和金属重量，从而产生更大的经济效益和质量保证。
因为WB36是在C-Mn钢基础上添加Ni、Cu、Mo及Nb微合金化的钢，该钢的特点是具有较高的强度，且具有良好的的焊接性能，室温抗拉强度可达610Mp以上，屈服强度大于等于440MPa，主要用于臂温≤500℃锅炉厚汽包、集箱、分离器管道、四大管道中的高压给水、再热冷锻的输放水系统。为了准确掌握该材料的焊接性能与工艺性能,我们在对该材料成分和焊接性能综合分析的基础上,制订了焊接工艺评定方案,进行了焊接工艺评定。

2 WB36钢的焊接性能分析
2.1 WB36钢化学成分分析
WB36钢的化学成分如表1.

WB36为低合金的高强度钢,属于A类三级多元合金钢,其经空冷淬火和正火后的原始组织为贝氏体或贝氏体加铁素体。主要通过添加一定量的Cu来提高材料的高温强度,特别是贝氏体回火后的强度;添加一定量的Ni抵消由于Cu的存在带来的高温红脆性的趋势;同时一定量弥散分布的Nb可进一步细化晶粒,提高材料的综合性能。由于材料本身所含Mn元素相对远大于S,在有效控制线能量后,基本不产生热裂纹。
WB36作为一种研制较早的高温用钢,其成分和冶炼手段虽然经历很多变革和提高,但它的强化机理仍是以保持一定量的C和合金元素作为基础的,其S,P等杂质含量仍为较高水平,见表1。这与近来较流行的电站P91钢和管线用的X70~X100等洁净钢种的细晶强化有本质的区别。材料含碳量最高可达0·17%,碳当量达到0·52%,有一定的冷裂纹趋势。相比于上述TMCP钢种,WB36虽然焊接性能略差,但熔合后焊接接头的性能更容易与原始母材组织接近,更易于选择合理的焊接工艺。
2.2 WB36钢力学性能分析
WB36钢常温下的力学性能见表2,在不同温度下的抗拉强度见表3.

从表中可以看出,WB36中含有N,i Cu,Nb等合金元素;设计时,WB36钢成分已被最优化,使材料具有比较高的屈服强度和抗拉强度;Nb细化晶粒, Cu通过其析出物达到沉淀强化,并提高钢的抗腐蚀性,但Cu使材料具有红脆性,在钢中易在晶界富集,引起网状裂纹缺陷,在钢中加入N,i可以使晶界产生高熔点的Cu-Ni化合物, 从而消除Cu的不良影响,通常Cu/Ni比率控制为1/2,在选择焊材时,这点应该特别注意。
WB36的室温强度与20钢(其室温σb≥39MPa,σs≥226MPa)相比,屈服强度提高40%以上用于锅炉给水管道,可使管道壁厚减薄,有利于加工、制造、安装及运行。
2.3 WB36钢Ac1,Ac3温度
WB36钢的Ac1和Ac3温度分别为725℃和870℃,化学成分对其影响很小。

2.4 WB36钢冷裂纹敏感性
2.4.1 碳当量估算法
国际焊接学会(IIW)推荐的碳当量公式为:

Ceq=C+Mn6+Cu+Ni15+Cr+Mo+V5)…………………(1)

冷裂纹敏感指数为:

Pcm=(C+Si30+Mn+Cu+Cr20+Mo15+Ni60+V10+5B)………(2)

由式(1)和式(2)计算得到其Ceq=0.34%~0.73%,Pcm=0.21%~0.36%。一般认为,当Ceq≥0.45%或Pcm≥0.27%时,材料具有一定的冷裂倾向,焊接时应采取适当的预热措施。由此看来, WB36施焊前应考虑预热。文献[1]中的试验结果也证明了这一点。
2.4.2 冷裂纹敏感性试验
文献[1]中针对WB36钢所做的斜Y坡口焊接裂纹试验结果为预热温度为150℃时开始不产生冷裂纹。插销试验结果表明, WB36钢焊接热影响区粗晶区冷裂敏感性较大,预热150℃时,临界拘束应力σcr≈80%σs,断口仍有少量解理,临界拘束应力为352.8N/mm2预热200℃时,σcr>σs,断口全部呈现韧窝,临界拘束应力为490N/mm2。由此可见,为了防止WB36钢焊接时产生热影响区的根部冷裂纹,需要200℃左右的预热温度。
对于厚壁锅炉压力容器的纵环焊缝及管接头,焊接工艺应采用插销试验σcr>σs时得出的预热温度;对于一般的锅炉压力容器纵环缝,可采用斜Y型坡口焊接裂纹试验试样裂纹率均为零或者插销试验σcr≈80%σs时的预热温度;对于壁厚较薄的锅炉压力容器纵环缝,甚至可采用斜Y型坡口焊接裂纹试验试样表面裂纹率为零、断面裂纹率为10%时的预热温度。综上所述,产品焊接时,焊前工件最低预热温度为200℃,如果施焊条件良好,拘束度不大,最低预热温度可为150℃。对于条件更为恶劣、拘束度更大的情况,应采用预热+后热的措施。
2.5 WB36钢再热裂纹敏感性
2.5.1 再热裂纹敏感度及去应力热处理裂纹敏感性指数
再热裂纹敏感度ΔG及去应力热处理裂纹敏感性指数Psr的计算公式为:
ΔG=(Cr+3.3Mo+8.1V-1.39) ………………………(3)
Psr=(Cr+Cu+2Mo+10V+7Nb+5Ti-2) ………………(4)
当ΔG≥0时,该钢具有再热裂纹敏感性。当Psr≥0时，该钢具有再热裂纹敏感性。
2.5.2 再热裂纹敏感性试验
WB36含有Cr,Mo,Nb等强碳化物形成元素,增加了钢的再热裂纹敏感性。参考文献[1]采用斜Y坡口试验法,研究了WB36钢的热裂纹敏感性,认为WB36钢无再热裂纹倾向。根据再热裂纹敏感度ΔG公式[3]:ΔG=Cr+3. 3Mo+8. 1V-1. 39%。当ΔG≥0时,该钢具有再热裂纹敏感性;根据钢的消除应力热处理裂纹敏感性指数Psr计算公式[3]:Psr=Cr+Cu+2Mo+10V+7Nb+5Ti-2%。当Psr≥0时,该钢具有再热裂纹敏感性。按上述两个公式对WB36钢估算结果见表4。

根据以上的试验与估算,工程实际中将焊接接头预热到200℃是必要和恰当的。
2.6 t8/5及热处理制度对过热区韧性的影响
过热区是焊接接头的薄弱区域,其韧性的优劣决定着焊接接头质量的好坏。文献[1]、[2]采用焊接热模拟的方法研究了t8/5及热处理制度对接头韧性的影响。研究结果认为WB36钢随着t8/5增加,韧性增加,随着热处理温度的提高,韧性提高。尤其是随热处理温度的提高韧性提高极为明显,变化较突出。因而尽管WB36钢热处理温度范围为550℃~630℃,在实际生产中应慎用热处理规范下限,以保证焊接接头的冲击韧性。
2.7 WB36钢抗裂性试验
2.7.1 碳当量估算
根据有关资料介绍，当Ceq＞0.46%时，说明该钢具有淬硬倾向，有产生冷裂纹的可能性。国际焊接学会推荐的碳当量公式如下：
Ceq=(C+Mn6+Cu+Ni15+Cr+Mo+V5)
根据以上公式，试验用钢板碳当量Ceq=0.74(%)，说明WB钢碳当量较高，在焊接过程中要采取一定的预热措施。
2.7.2 预热温度的理论计算
按照日本的伊藤.別所提出的防止根部裂纹的临界预热温度：

式中，[H]—焊缝金属扩散氢含量，按4ml/100g计算t—板厚，t＝20mm。经初步计算，推断WB36钢的焊接预热温度应在170℃左右。
2.7.3 斜Y型坡口焊接裂纹试验
斜Y型坡口焊接裂纹试验的试件形状尺寸及试件的制备按GB4675.1《焊接性试验斜Y型坡口焊接裂纹试验方法》中的规定，见图1

试验条件：
试板尺寸：220×75×26mm
试验焊条牌号及规格：J607φ4.0mm
试验焊条烘干温度及时间：350℃/1h
焊接规范：160-170A
焊接速度：160mm/min
试板坡口装配时，利用塞尺保证控制根部间隙在2＋0.05mm(标准间隙为2±0.2mm)。
裂纹试验试板焊后放置48小时后用着色探伤方法观察其表面裂纹，测量后计算出表面裂纹率，然后沿焊缝长度方向用锯床慢速，截取5个截面，经腐蚀后，在放大镜下观察其断面裂纹，测量后计算出断面裂纹率。
试验结果：
表面裂纹情况见图2，图3，图4和图5。试验结果见表5。

表5 斜Y型坡口焊接裂纹试验结果

从斜Y型坡口焊接裂纹试验结果来看，WB36钢的预热温度为
150℃时就可以有效地防止焊接裂纹的产生。
2.7.4 焊接热影响区最高硬度试验
焊接热影响区最高硬度试验的试件形状尺寸及试件的制备按GB4675.5的规定。
试验条件：
试板尺寸：200×75×20mm（室温）200×150×20mm（预热）
试验焊条牌号及规格：J607φ4.0mm
试验焊条烘干温度及时间：350℃/1h
焊接规范：170A
焊接速度：150±10mm/min
试验试板焊后放置48小时后，用带锯床慢速按规定截取硬度试样，经研磨腐蚀后，立即进行硬度测试。
试验结果：
硬度测试点见图6。其中0点为熔合线的底部，经0点画一条切线，则切点0及其两侧各5个点做为硬度的测试点。试验结果见表6。硬度值的变化曲线见图7。

表6 最高硬度（HV10）试验结果

通过硬度试验，可以看出，不预热焊时，焊缝热影响区的硬度值虽然没有较大的峰值，但普遍偏高；随着预热温度的提高，焊缝热影响区的硬度值逐渐降低，不预热和预热焊的焊缝热影响区硬度值相差较大，预热150℃时，焊缝热影响区的硬度值已接近母材的硬度水平。
2.8 本章小节
综上所述,WB36钢是一种焊接性能相对较好的钢材。焊接中要选择合适的焊接材料,焊前预热至180℃、焊后进行600℃回火,能有效避免焊接冷裂纹,保证焊接接头韧性。

3 WB36钢的焊接工艺评定
3.1 焊接方法
采用电站管道焊接常用的氩弧焊-手工电弧焊的组合焊接方法。填充层焊条焊接采用多层多道工艺。
3.2 焊接材料的选择
按照等强匹配的原则,国内目前没有合适的氩弧焊焊丝,最相近的材料也仅有E7015焊条,但其熔敷金属中合金元素与母材组织差别较大,焊条的强化机理与WB36材料本身也不相同。为使焊接接头综合性能尽可能接近优异的管道原始母材,选取了具有相似合金含量的OERLIKON的OE-KO焊丝及TENACITO焊条进行了工艺试验,其型号分别为ER80S-G,E9018-G.其合金成分见表6,材料规格为Φ2·4/3·2/4 mm.

表6焊接材料的化学成分(质量分数) ﹪

3.3 焊接设备
ZX7一400STG型逆变式弧焊电源.
3.4 坡口形式
双V，坡口尺寸要求如图8所示。

图8

3.5 预热和焊接热处理
对焊接材料进行适当的预热可降低焊缝冷却速度,调整T8/5的时间,便于得到硬度较低,组织均匀的下贝氏体组织。对于现场使用的Φ286 mm×20 mm大直径厚壁管道,按照材料厂家推荐采用100~150℃预热进行焊丝打底后,焊条焊接时预热温度为150~180℃.
由于较多含量的Ni和Mn元素的存在,使WB36钢比相似合金含量的其他钢材的AC1温度要低,V&M的资料显示为725℃,钢材出厂前一般要经过880~960℃的正火及580~680℃的高温回火[1]。虽然材料对回火温度不敏感,但选择焊后消除应力的回火温度不能高于原始热处理温度,更不能高于AC1温度,选择(590±10)℃较合适,根据实际壁厚,取保温时间为60 min.
3.6 焊接参数
WB36的焊接性能与国内常用的低合金调质钢近似,由于多层多道焊的重复退火作用,其焊后最薄弱的部位实际上在热影响区。热影响区有可能产生少量能增大接头冷裂趋势的淬硬组织,同时过热区晶粒的长大和M-A岛元的产生也是这类钢焊接参数制订时应考虑的重要方面。因而在焊材的化学成分得到保证后,选择适当的焊接线能量与预热、层间温度相配合,合理控制T8/5,减少焊接接头脆化和软化等不良组织的宽度,是WB36焊接参数选择的主要出发点经与目前电站管道常用的HSLA钢材的的焊接输入量进行分析比较,并结合现场此类TENACITO焊条熔化性能的试验情况,选择表7的焊接参数进行工艺试验。

表7 焊接工艺参数（垂直固定）

3.7 焊接工艺评定试验
选择两名电力I类焊工,严格按照选定工艺参数分水平固定和垂直固定两种位置焊接制作了2个Φ286 mm×20 mm试样,经热处理和射线检验合格后按照标准取样进行了金相、拉伸、弯曲、室温冲击等焊接工艺评定试验。
3.7.1 断口检测
断口检测见表8
表8 断口检测(单位:mm)

3.7.2 硬度检测
硬度检测见表9
表9 硬度试验（平均值HB）

3.7.3 力学性能试验
力学性能试验见表10，11
表10 拉伸试验

表11 弯曲试验

3.7.4 冲击韧性试验
冲击韧性试验见表12
表12

3.7.5 金相试验
金相组织如图9

图9

3.7.6 无损检测
无损检测见表13
表13 射线探伤

3.7.7 试验分析
1通过焊后断口以及射线检测出的缺陷是完全在质量标准允许范围内的，这些可以通过改变焊接操作手法和提高焊工操作技能来降低，采用合适焊接线能量，严格控制层间温度和焊层厚度可以减少气孔的产生，此外收弧时采用电流衰减法填满弧坑，以避免弧坑裂纹的产生。
2从试样拉伸弯曲以及冲击试验结试验结果可以看出，WB日6钢焊缝的抗拉强度和屈服强度均能满足要求，焊缝的冲击值比较高，冲击韧性较好，由此可以看出焊缝的综合力学性能良好。
3经热处理过的焊缝、热影响区、母材的硬度值均不高，满足试验要求，热处理后的焊缝组织为回火贝氏体，这种热处理工艺符合要求。
4焊缝微观组织热处理前为索氏体十贝氏体+少量铁素体，经热处理后为回火贝氏体。
3.8 焊后热处理
3.81热处理方式
采用高温回火热处理方式。所谓回火就是将钢加热到Ac1(下临界点)以下的某一温度,保温以后以适当的方式冷却到室温的一种热处理方式。回火的主要目的是减少或消除淬火应力,保证相应的组织转变,提高钢的韧性和塑性,使硬度、强度、塑性和韧性得到适当的配合。
3.8.2参数确定
加热温度(590±10)℃,保持1~2 h,升降温速度依据DL/T 869-2004《火力发电厂焊接技术规程》要求。
回火温度的设定依据是合金钢回火稳定性高,比碳钢具有更高的抵抗回火软化过程的能力,这是因为合金元素可使钢的各种回火转变温度范围向高温推移,可以减少钢在回火过程中硬度下降的趋势。高温回火时,在相同回火温度和回火时间情况下,合金钢具有较高的强度和硬度。反过来,为得到相同的强度和硬度,合金钢可以在更高温度下回火,这又有利于钢的韧性和塑性的提高。
回火时间的设定依据是钢淬火、回火后的力学性能常以硬度来衡量。研究发现,在各个回火温度下,硬度变化最剧烈的时间一般在最初的0.5 h内,回火时间超过1~2 h后,硬度变化很小。热处理曲线见图10。

图10 热处理曲线

3.9 焊后延时热处理
3.9.1焊接工艺
为延缓焊后热处理的时间,公司焊培中心精心设计并实施了WB36(15NiCuMoNb5)钢延时热处理的工艺评定方案。依据DL/T 868-2004规定焊接试件、检验试样、测定性能、确认试验记录正确、评定合格。已成功应用于焊工考试及现场焊接施工。
焊前采用电加热方式进行预热,预热温度控制在150~200℃,层间温度控制在150~400℃,焊接完成后,冷却至室温,延时约1个星期后用热处理炉进行焊后热处理,热处理期间严禁大力撞击。
焊后热处理采用高温回火,温度范围(590±10)℃,保温时间为1.5~2 h,升降温速度依据DL/T819-2002《火力发电厂焊接热处理技术规程》。延时热处理曲线见图11。

图11延时热处理曲线

3.9.2延时热处理结果
实际操作中采用的是30 kW电阻炉(RX3-30-9)整体热处理,加热设定及实际温度为600℃,升降温速度223℃/h,恒温时间2 h。记录仪型号为XWGJ 101,硬度计型号为HL 80,经检测焊缝硬度为231,母材硬度为183,热影响区硬度为165,符合硬度要求,热处理评定结果为合格。
3.9.3试验报告
工艺试验报告见下表14，15，16，17。
表14 无损探伤检验

表15 拉伸试验

表16 冲击试验

表17 硬度试验

无损探伤检验未发现因进行延时热处理所发生的超标裂纹缺陷。
拉伸试验结果表明焊接接头的抗拉强度性能值不低于母材强度值,符合工艺性能要求。
根据DL/T 868-2004进行侧向弯曲试验,试验结果未发现裂纹,表明延时热处理对该项性能无影响;对管件试样的焊缝中心和热影响区进行冲击韧性试验,试验结果数值在性能要求范围内;硬度检验所得硬度值在要求范围内。
由报告参数可知,经过焊后延时热处理的WB36钢焊件各项力学性能指标及无损探伤结果均符合要求。

4 结论
(1)WB36是一种含Ni,Cu ,等Nb合金元素的低合金钢选择焊材时,应注意Cu引起的材料的红脆性,选择成分合适的焊材
(2)WB36钢具的一定的冷裂倾向,无再热裂纹倾向其焊缝随着t8/5增加,韧性提高,随着热处理温度的提高,韧性提高;焊前预热到180℃,焊后采用590℃~610℃热处理,能有效避免焊接冷裂纹,保证接头的性能要求。
(3)WB66钢的焊接性优良，只要严格遵守有关焊接工艺，就能确保优良的焊接质量。

致 谢
首先感谢本人的导师公永建老师，他对我的仔细审阅了本文的全部内容并对我的毕业设计内容提出了许多建设性建议。公永建老师渊博的知识，诚恳的为人，使我受益匪浅，在毕业设计的过程中，特别是遇到困难时，每每向他询问，他都很热情地给我进行指导，给了我很大的鼓励和帮助，在这里我向他表示真诚的感谢！
感谢母校——河南机电高等专科学校的辛勤培育之恩！感谢材料工程系给我提供的良好学习及实践环境，使我学到了许多新的知识掌握了一定的操作技能。
感谢和我在一起进行课题研究的同窗陈亚伟同学，和他在一起讨论、研究使我受益非浅。
最后，我非常庆幸在三年的的学习、生活中认识了很多可敬的老师和可亲的同学，并感激师友的教诲和帮助！

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