12Cr2MoWVTiB锅炉用低合金钢管焊接工艺

    乔平 池宁 朱宁

    摘 要：本文针对12Cr2MoWVTiB低合金贝氏体耐热钢（钢研102），在锅炉过热器蛇形主蒸汽管的应用，通过焊接性分析、工艺试验及工艺评定，研究制定合理的焊接工艺方案，满足了产品的焊接质量和使用性能。

    关键词：钢研102管；焊接性；焊接工艺

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.058

    1 前言

    为延长锅炉过热器的使用寿命，攀钢发电厂新制作安装的240t/h锅炉高温过热器蛇形管采用材质为12Cr2MoWVTiB的钢管，其规格Φ42×5mm。由于12Cr2MoWVTiB钢焊接性较差，工作时压力为7.82MPa，又在高温环境下运行使用，对焊缝质量和使用性能要求较高。为保证焊接质量，根据产品特点，要求做焊接工艺试验及焊接工艺评定，以制定出合理的工艺及措施，来保证焊缝质量和焊接接头的使用要求。

    2 12Cr2MoWVTiB钢管焊接特点

    2.1 化学成分分析

    12Cr2MoWVTiB钢的化学成分见表1。它是一种贝氏体型的低合金耐热钢，以Cr、Mo、V、Ti为主要合金元素，Cr能显著地提高钢的热稳定性，Mo的固溶强化和V的弥散强化提高了钢的高温性能。在铬钼钢中加入钒、铌、钛、钨和硼等碳化物形成元素，弥散分布的碳化物可以强化铁素体基体，同时提高钢它的蠕变强度和组织稳定性。该钢采用了固溶强化、稳定碳化物相、晶界强化多种强化等手段，使它具有良好的综合力学性能、工艺性能和相当高的持久强度。

    2.2 焊接性分析

    12Cr2MoWVTiB钢焊接时有下列特点：①按其合金含量具有的一定淬硬倾向。在热循环决定的冷却速度条件下，焊缝金属和热影响区可能易产生冷裂纹，并且可能出现热影响区的硬化、软化；②钢中含有Cr、Mo、V、Ti等强烈的碳化物形成元素，从而使接头过热区具有产生再热裂纹的倾向；③钢材及其焊接接头，具有明显的回火脆性；④当焊接材料选择不当焊缝中有可能产生热裂纹。

    2.2.1 冷裂纹倾向

    碳钢和低合金钢的淬硬性取决于它的碳含量、合金成分及其含量。12Cr2MoWVTiB钢中的主要合金元素铬和钼等都显著地提高了钢的淬硬性。这些合金元素推迟了钢在冷却过程中的转变，提高了过冷奥氏体的稳定性。由于淬硬组织和扩散氢的作用，在焊接接头中可能出现冷裂纹。

    根据国际焊接学会提供的低合金钢碳当量公式：

    CE=C++

    按表1数据，计算得到：CE=0.892%。CE数值越大，被焊材料淬硬倾向越大。根据经验，当碳当量值达到0.45%以上时，就容易产生冷裂纹。因此焊接过程应采用低氢型焊条并控制焊接热输入，以及适当的预热、后热等措施，来避免产生焊接冷裂纹。

    2.2.2 消除应力处理裂纹倾向

    低合金耐热钢焊接接头消除应力裂纹倾向主要取决于钢中碳化物形成元素（Mo、V等）及其含量、焊接工艺措施。可以用PSR裂纹指数表示钢的消除应力裂纹的敏感性。

    PSR=（%Cr）+（%Cu）+2（%Mo）+10（%V）+7（%Nb）+5（%Ti）-2

    计算得到：PSR=6.5。当PSR≥0时，就有可能产生再热裂纹。由此可见12Cr2MoWVTiB材料有产生应力裂纹的可能较大。应力裂纹出现在焊缝热影响区的粗晶区，与焊接工艺及焊接残余应力有关。消除应力裂纹一般在500℃～700℃的敏感温度范围。为防止消除应力裂纹，可采取下列措施：

    ①选用优于母材的焊接材料，限制母材和焊接材料的合金成分，特别是要严格限制V，Ti等合金元素的含量；

    ②采用低线能量焊接工艺，适当提高预热温度和道间温度，缩小焊接过热区宽度，细化晶粒；

    ③选择合理的热处理、避免在敏感温度区间停留较长时间。

    2.2.3 回火脆性

    铬钼钢及其焊接接头在350℃～500℃的回火脆性温度与其杂质含量有密切关系，母材中P、As、Sb、Sn等杂质元素在奥氏体晶界偏析而引起的晶界脆化。

    為了尽可能地减小焊接接头回火脆性倾向，应尽量控制接头中杂质含量，特别是降低焊缝金属中的O，Si和P的含量。

    3 焊接工艺

    3.1 焊接方法与焊接材料的选择

    3.1.1 焊接方法

    根据12Cr2MoWVTiB的焊接特点以及我公司的设备、材料准备情况。决定采用手工钨极氩弧焊进行焊接。因氩弧焊用于管道生产可以实现单面焊双面成形，它还具有超低氧的特点，焊接时还可适当降低预热温度。

    3.1.2 焊接材料

    根据焊缝金属的合金成分与强度性能基本符合母材标准规定的下限值或应达到产品技术条件规定的最低性能指标的原则，选择与钢相对应的焊丝牌号H08Cr2MoWVNbB。

    4 焊接工艺及操作要点

    4.1 焊前准备

    （1）焊前采用砂轮打磨清理坡口两侧各20mm范围内的加工面上的毛刺、铁锈，并用丙酮擦洗坡口表面上的氧化膜、油污等，还应将焊丝表面的防锈油清除干净。

    （2）钢管组对蛇形管时采用对管器组对。应做到内壁齐平，尽量减小错边。错边量应控制不超过壁厚的10%以内。坡口基本型式及尺寸如图1所示。

    （3）定位焊接时所用焊丝牌号、规格及工艺参数与正式焊接相同。

    （4）焊前预热温度可通过钢材的碳当量值CE来估算：预热温度T0=350。根据公式估算出T0≈280℃，因此确定预热温度为260～300℃。

    4.2 焊接工艺参数

    4.3 整个焊接过程中控制层间温度略高于预热温度

    层间温度高控制在300度～350度之间，略高于中碳钢预热温度50度左右，利用扩散氢的逸出。

    4.4 操作要点

    （1）底层焊接操作时焊枪应均匀而平稳地向前做直线运动，可以采用断续点滴的填丝方式填絲，在氩气保护区内焊丝向熔池边缘以滴状形式往复加入；盖面焊时焊丝放在熔池中连续送进，焊枪可做轻微横向摆动并控制熔池大小和熔合好两坡口边缘。焊枪、焊丝与管缝焊接操作时的相对角度图2所示。

    （2）氩气流量要合适，流量过小，没有挺度，会导致在焊接过程中，空气侵入熔池，造成保护不良，流量过大，会产生紊流，也会影响保护效果。熄弧后，不能立即关闭氩气，必须等到钨极呈暗红色后才能关闭，时间为5～10s，以防止母材及钨极在高温时被氧化。

    4.5 焊后热处理

    12Cr2MoWVTiB钢由于有消除应力裂纹倾向和回火脆性，焊后热处理应尽量避免在敏感温度区间进行，在危险温度区间范围内应较快加热速度。焊后热处理工艺曲线如图3所示。

    5 焊后检验

    （1）焊接接头冷却到室温后，经外观检查焊缝表面无气孔、夹渣、未熔合、裂纹、咬边等缺陷，焊缝表面尺寸均控制在NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》标准要求范围内。

    （2）对所有焊缝进行X射线无损探伤均不低于Ⅱ级片。

    （3）按GB2649-89标准截取试样加工后，进行接头的拉伸、冷弯和冲击检验，均达到标准规定的下限值以上。

    6 结束语

    对12Cr2MoWVTiB低合金贝氏体耐热钢管应用于锅炉的过热器，进行焊接性能分析，制定出合理的焊接工艺及措施，保证了焊接接头的质量和高温使用性能要求。现已生产运行3年半，未发现任何质量问题，延长了锅炉高温过热器管的使用寿命。

    参考文献：

    [1]中国机械工程学会焊接学会编.焊接手册（第二卷.材料的焊接）[M].北京：机械工业出版社，2001（08）.

    [2]吴燕生.焊接冶金学及金属材料焊接[M].辽宁：大连理工大学出版社，2010（01）.

    [3]曾乐.现代焊接技术手册[M].上海：上海科学技术出版社，1993

    （11）.

    [4]NB/T47014-2011.承压设备焊接工艺评定[S].

    作者简介：乔平（1970-），男，重庆人，大专，二级电焊工技师，从事焊接工艺研究与焊接操作。