HR3C與TP347HFG的焊接

陳建凱

廣東臺(tái)山平安五金制品有限公司

HR3C與TP347HFG的焊接

陳建凱

廣東臺(tái)山平安五金制品有限公司

本文通過對奧氏體不銹鋼HR3C和TP347HFG的性能分析，闡述了HR3C與TP347HFG焊接存在的問題，并采取了行之有效的工藝措施，完成了HR3C與TP347HFG兩種奧氏體不銹鋼的氬弧焊焊接工藝評(píng)定，獲得了優(yōu)質(zhì)接頭。

HR3C；TP347HFG；奧氏體不銹鋼

隨著火力發(fā)電機(jī)組朝著大容量、高參數(shù)方向發(fā)展，對鍋爐高溫高壓部件材質(zhì)的要求越來越高。在Samcheok項(xiàng)目550MW鍋爐過熱器、再熱器管道中，采用了蠕變強(qiáng)度和抗氧化性能高的HR3C和TP347HFG奧氏體不銹鋼，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要完成HR3C鋼和TP347HFG異種鋼的對接，之前我們沒有焊接此種接頭的經(jīng)驗(yàn)，需要制定有效的焊接工藝以保證焊接質(zhì)量。

1　HR3C、TP347HFG鋼的性能、化學(xué)成分

1.1HR3C和TP347HFG鋼的性能

HR3C鋼管是日本住友研發(fā)的新型奧氏體耐熱鋼，在25Cr-20Ni （TP310）的基礎(chǔ)上添加了一定量的Nb和N，利用彌散析出的微細(xì)的Nb的碳氮化合物和金屬間化合物對25-20鋼進(jìn)行強(qiáng)化，使鋼的高溫強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度得到了很大的提高，是抗煙氣腐蝕和內(nèi)壁抗氧化性能更優(yōu)異的鋼材。

TP347HFG是鉻鎳鈮奧氏體不銹鋼。它利用微細(xì)的鈮碳化物（NbC）的溶解和沉淀機(jī)理，采用較高的固溶處理溫度的熱處理工藝使得晶粒大大地細(xì)化。持久強(qiáng)度比ASME規(guī)范的規(guī)定值高約20%，具有較好的抗晶間腐蝕性能、良好的組織穩(wěn)定性和更優(yōu)異的抗氧化及剝離性能。主要用于制造亞臨界、超臨界壓力參數(shù)的大型發(fā)電鍋爐的高溫段以及各種耐高溫高壓的管件等；對于承壓部件，最高工作溫度可達(dá)650℃；對于抗氧化部件，最高抗氧化使用溫度可達(dá)850℃。

1.2HR3C和TP347HFG鋼的化學(xué)成分

實(shí)驗(yàn)采用的HR3C化學(xué)成分如表1所示，TP347HFG的化學(xué)成分如表2所示。滿足ASMESectionⅡA篇SA213所列化學(xué)成分范圍。

表1　HR3C鋼的化學(xué)成分w（%）

表2　TP347HFG鋼的化學(xué)成分w（%）

2　HR3C和TP347HFG奧氏體不銹鋼焊接存在的主要問題

HR3C和TP347HFG奧氏體不銹鋼合金含量高，熱傳導(dǎo)性差，線膨脹系數(shù)大，焊接易產(chǎn)生拉應(yīng)力。焊縫熔池黏性大，易產(chǎn)生焊縫根部內(nèi)凹、未熔合、弧坑裂紋等缺陷。另外奧氏體焊縫產(chǎn)生方向性很強(qiáng)的柱狀晶，促使有害雜質(zhì)的偏析，易形成晶間液態(tài)薄膜。當(dāng)在敏化溫度區(qū)間450-850℃長時(shí)間停留時(shí)，會(huì)促使Cr23C6在晶界析出，降低耐蝕性。

3　焊接工藝的制定

3.1焊接設(shè)備

采用美國制MillerDimension562手工鎢極氬弧焊機(jī)，高頻起弧，水冷焊槍，具有升、降電流的腳踏控制開關(guān)。

3.2母材規(guī)格與試件數(shù)量

規(guī)格為Φ50.8mm×6.35mm的HR3C和TP347HFG鋼管，各2件。

3.3焊接材料的選擇

根據(jù)奧氏體不銹鋼焊接材料的選擇原則：根據(jù)鋼的具體成分和服役條件以及對焊縫金屬的性能要求選擇焊接材料YT-304H，此類焊絲的主要化學(xué)成分Cr、Ni含量與HR3C和TP347HFG母材接近，且介于兩者之間。焊絲中含有較多量的Mn，雜質(zhì)元素S、P含量很低，能夠降低焊縫出現(xiàn)熱裂紋的傾向。焊絲中含有Nb，在焊接過程中會(huì)過渡到焊縫中去，Nb與C之間親和力較強(qiáng)，會(huì)優(yōu)先結(jié)合，從而抑制了Cr23C6在晶界的析出，提高了焊縫的耐腐蝕性能。

YT-304H全焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度為836MPa，伸長率31%，查詢ASMESectionⅡA篇可以得知HR3C的抗拉強(qiáng)度為655MPa，伸長率35%，TP347HFG的抗拉強(qiáng)度為550MPa，伸長率35%，YT-304H全焊縫金屬的伸長率與兩側(cè)母材接近，凝固時(shí)接頭各部分變形均勻，殘余應(yīng)力較小，抗拉強(qiáng)度高于兩側(cè)母材，可以滿足焊縫機(jī)械性能要求。

所以選擇YT-304H焊絲作為填充材料，從化學(xué)成分和焊縫性能來看，都是比較合適的。

表3　YT-304H焊絲的化學(xué)成分W（%）

3.4焊前準(zhǔn)備

3.4.1坡口加工和裝配要求：

采用機(jī)械加工V形坡口，坡口角度40±2.5°，根部間隙1～3mm，不留鈍邊，管口錯(cuò)邊量不得大于1mm。

3.4.2焊前清理

焊接前用不銹鋼鋼絲刷清除坡口附近的所有油脂、其它外來物。

3.5焊接工藝

采用鎢極氬弧焊（GTAW），試件位置水平固定（5G），選用鈰鎢極，規(guī)格Ф3.2mm。保護(hù)氣體和背氣均為氬氣，純度≥99.99%。焊縫層道布置見圖1，焊接工藝參數(shù)見表4。

圖1

表4　HR3C與TP347HFG焊接工藝參數(shù)

3.6操作技術(shù)要點(diǎn)

（1）焊前充氣為了避免焊縫根部氧化管內(nèi)需加背氣保護(hù)且必須保持至第二層結(jié)束。

（2）定位焊定位焊在12點(diǎn)位置，焊縫兩端需磨成斜坡狀。這樣可以避免接頭時(shí)產(chǎn)生未熔合或者收弧凹坑，定位焊的長度為15～20mm。

（3）預(yù)熱及層道溫度不需預(yù)熱，為避免層間溫度過高時(shí)產(chǎn)生晶間腐蝕和氧化，必須小道多層快速焊，層（道）間溫度控制在≤150℃。

（4）每層填充厚度不超過3mm，焊道擺動(dòng)寬度≤10mm。

3.7焊后熱處理

根據(jù)ASMEⅠ，奧氏體不銹鋼焊縫無需進(jìn)行焊后熱處理。

4　檢驗(yàn)

4.1外觀檢查

兩個(gè)試件焊縫余高1～2mm，焊縫及熱影響區(qū)表面無裂紋、未熔合、夾渣、氣孔等缺陷。滿足ASMEIX要求。

4.2射線檢查

兩個(gè)焊接試件經(jīng)射線探傷檢驗(yàn)，均為1級(jí)，滿足ASMEIX要求。

4.3機(jī)械性能檢查

4.3.1拉伸試驗(yàn)

按照ASTME8《金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行焊接接頭拉伸試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表5。結(jié)果符合ASMEIX的要求。

表5　焊接接頭拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

4.3.2彎曲試驗(yàn)

取4個(gè)試樣按照ASTME190《焊縫導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)方法》進(jìn)行焊接接頭彎曲試驗(yàn)，試樣均未出現(xiàn)任何開裂。試驗(yàn)結(jié)果符合ASMEIX的要求。

4.4金相檢查

對焊接試樣進(jìn)行宏觀金相檢查，焊縫區(qū)域均未見裂紋、疏松、氣孔、無過燒組織及淬硬性馬氏體組織，金相合格。

5　結(jié)語

HR3C與TP347HFG鋼管用手工鎢極氬弧焊焊接，只要采用行之有效的工藝措施，就可以得到具有良好強(qiáng)度和韌性的焊接接頭。上述鎢極氬弧焊工藝在車間現(xiàn)場焊接中得到成功應(yīng)用，焊縫RT合格率達(dá)到98.5%以上，證明該焊接工藝是正確可行的。

［1］張佩良.淺談HR3C的焊接［J］.超（超）臨界鍋爐用鋼及焊接技術(shù)協(xié)作網(wǎng)第三次論壇大會(huì)論文集.2009.

［2］ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范國際性標(biāo)準(zhǔn)Ⅸ.中國石化出版社.2010