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1、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，
2、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
3、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
4、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
5、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.
6、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 61
7、7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
8、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
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、 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
11、 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 D
12、C- 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)
13、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
14、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
15、 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
16、 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
17、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
18、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
19、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
20、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
21、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
22、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
23、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
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