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1Cr18Ni9Ti与SA-213T91异种钢焊接工艺刘聪
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摘要:本文主要就T91与1Cr18Ni9Ti采用镍基焊接材料进行焊接工艺和焊接操作方面研究,从而确定镍基焊接材料焊接的可行性。
关键词:T91钢;1Cr18Ni9Ti钢;合金过渡;ERNICr-3
引言
随着火电机组朝着大容量、高参数方向发展,对锅炉高温、高压金属部件材质的要求越来越高。火力发电机组由于各个部位的工作温度不同,相应的使用了不同化学成分和组织结构的钢材,因此必然会遇到异种钢的焊接问题。如:TP347H与T91钢焊接、T91与1Cr18Ni9Ti钢奥氏体钢与马氏体耐热钢焊接。主要分布在锅炉过热器、再热器、主蒸汽管道的管座与与热电偶保护套管需进行对接焊。这2种性能差异较大的材料相互焊接,不可避免地存在高温高压长期运行状态,异种金属接头过早失效的问题。如何把握焊接工艺,延长其接头的使用寿命,是需要研究解决的技术难题。文中主要分析马氏体耐热钢(T91)与奥氏体钢(1Cr18Ni9Ti)的化学物理性能,提出该异种钢接头的焊接方法、焊接材料、热处理及焊接工艺要点。
1SA-213T91钢和1Cr18Ni9Ti钢的性能、化学成分
1.1T91钢化学成分和焊接性能特点
T91钢是一种改进的9CrlMo钢,是由美国国家橡树岭实验室和美国燃烧工程公司冶金材料实验室合作研制的,是在9CrlMo钢的基础上降低含碳量,添加微量Nb、V合金比,并对含N量加以控制得到的。T91钢具有良好的冲击性能,高温持久强度、高温蠕变强度优异。T91属调质状态下使用的回火马氏体钢,组织结构为马氏体加部分铁素体,在高温环境下具有较好的组织稳定性、高温持久强度、高温蠕变强度。根据经验知道,T91钢具有较大的淬硬倾向,焊接性差,焊接时需要采取较高的温度预热和严格的工艺措施,才能防止冷裂纹的产生。所以,焊接时要选择合理的焊接工艺参数和适当的焊前预热温度,同时避免强制对口,减少拘束应力,控制焊缝中的氢含量,避免冷裂及脆化出现。
1.21Cr18Ni9Ti钢的化学成分和性能
1Cr18Ni9Ti钢是一种应用广泛的18-8型奥氏体不锈钢,又是不锈耐酸钢,具有高的抗腐蚀性能。由于钢中含有钛元素,能形成稳定的碳化物TiC,从而避免在晶界上析出Cr23C6而引起晶间腐蚀,因此这种钢经固溶和稳定化处理后,可避免晶间腐蚀倾向,但也会因此而促使钢中出现氮化钛TiN夹杂物,特别是当TiN呈链状分布时,会使钢产生裂纹。加入Mo可提高奥氏体铬镍不锈钢的抗点状腐蚀与缝隙腐蚀能力。增加Ni含量目的在于增加奥氏体组织的比例,并提高抗应力腐蚀的能力。
2焊接工艺的制定
2.1焊接方法与设备
TIG焊接;ZX7-400。
2.2焊接材料的选择
T91与1Cr18Ni9Ti焊接时,T91含Cr量为9%左右,而1Cr18Ni9Ti含Cr量19%左右,含量相差10%,Cr是强碳化物形成元素,能降低碳的活度,如果采用高匹配焊材时,如A307,T91钢侧的碳活度较高,焊缝侧碳活度较低,存在一个明显的能量差,使得T91钢侧的自由碳越过熔合线向高Cr侧的焊缝迁移,在熔合线的焊缝侧形成明显的增碳层,T91侧形成脱碳层,容易导致T91侧热影响区产生早期失效的问题。随着焊材由高匹配向低匹配变化,碳迁移的程度减少,接舍夫勒组织图,焊缝组织将不可避免地出现脆硬马氏体组织,故也不适合。为了克服T91钢的稀释作用,减少焊缝中马氏体脆性层的宽度,必须增加焊缝中奥氏体形成元素的数量,为此应选用奥氏体化能力比A307焊条更强的填充材料,镍是一种能降低碳化物稳定性的元素,并削弱化物形成元素对碳的结合能力,因而提高焊缝中镍含量,是抑制熔合区碳迁移的最有效手段.
其次,在前面的钢种焊接性分析时,知1Cr18Ni9Ti不锈钢的热胀系数远大于T91,在高温工作时的异种钢接头中,如果焊缝金属的热胀系数与奥氏体钢母材接近,那么,高温应力就将集中在T91钢一侧熔合区,如果焊缝金属热胀系数与T91钢接近,那么高温应力就集中在TP347H奥氏体钢的熔合区内,由于TP347H奥氏体钢通过塑性变形降低应力的能力较强,所以高温应力集中在1Cr18Ni9Ti钢一侧较为有利。因而选择焊材时,最好使用膨胀系数接近T91钢的材料。
由此可知,焊接材料的选择要考虑抑制熔合区中碳的扩散,且材料的热胀系数要适合,同时为了提高焊缝抗热裂能力,应保证焊缝形成单相奥氏体,据此,可考虑产自日本的焊丝ERNiCr-3与产自美国的焊丝INCONELTIG82。这2种焊丝均是典型的高镍基焊材。焊材化学成分见表1。
表1焊材化学成分(%)
考虑其热胀系数,此2种焊丝大致均为15×10-6。焊材及母材的热胀系数比较见表2。
表2焊材化学成分(%)
由表3所知,Ni基焊材的热胀系数位于2者之间,采用Ni基焊
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