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热处理工艺对SA213
热处理工艺对SA213-T23焊接接头性能的影响
摘要:
T23是目前我国火力发电厂引进的新型钢种,广泛用于锅炉过热器、再热器管道,本文通过对T23管材采用不同的焊接工艺进行试验,对比分析不同预热及焊后热处理温度下焊缝的性能,分析焊接工艺对其使用性能的影响。
关键词:
热处理工艺;SA213-T23;焊接接头性能;影响
KeyWord:
heattreatment;SA213-T23;weldjointproperties;influence
1前言
为提高能源利用率,电站机组的容量和参数越来越高,特别是90年代中期以来,随着世界范围钢铁冶炼技术的革命性进步,我国水电和火电建设的重要结构和部件采用了不少新的钢种,SA213-T23就是其中的一种。
T23是由T22改良发展而来的,它是在T22化学成分的基础上添加1.6%的钨(W),减少0.20%的钼(Mo)和0.04~0.10%的碳(C)含量,以及增加少量钒(V)、铌(Nb)、镍(Ni)和硼(B)成分形成的。
依赖于这些特殊元素的加入以及适当的热处理,正火+回火、淬火+回火,T23钢的蠕变强度和许用应力都大幅度地提高。
T23这类新材质目前已广泛应用到电站的水冷壁、过热器等部件,由于减少了碳含量,改善了T23的焊接性能,有资料显示,在小管焊接中不用预热和热处理,仍能确保T23钢在生产和运行中始终保持良好稳定的抗蠕变特性。
由于T23是新钢种,其焊接工艺仍在探索阶段,国内目前对其焊接及热处理工艺尚无权威定论。
为了找到较适合的焊接工艺方案,我们针对T23小管焊接通过采用了不同的方案,对比预热、焊后热处理对T23焊接工艺及使用性能的影响,在焊接试验中进一步验证文献中的有关结论。
2T23钢材焊接性分析
T23钢材化学成分如表1所示:
表1T23钢材化学成分
钢号CMnSiSPCrMoVWCbBNAl
T230.04~0.100.10~0.60Max.0.50Max.0.010Max.0.0301.9~2.60.05~0.300.20~0.301.45~1.750.02~0.080.0005~0.0060Max.0.030Max.0.030
ASME标准中SA213-T23钢属于2-1/4Cr-1.6W-Mo系列钢材,属于低碳微合金化的控轧钢和细晶粒钢,经正火+回火供货状态下T23钢的微观组织为回火贝氏体—马氏体及优化处理后的沉淀析出物,因含碳量低(碳被限制在0.10%左右或0.10%以下),且严格控制含硫、磷量,减少形成裂纹的倾向,同时加入了钒(V)、铌(Nb)、镍(Ni)和硼(B)等微合金化元素,供货状态下其金相组织的特点是晶粒细小均匀,提高了材料的高温蠕变强度和许用应力。
比较以往电站水冷壁大多数选用20g而言,T23钢较大幅度地减少了碳含量,提高了焊接性,有利于降低焊接热影响区硬度值。
T23中添加了大量微合金元素,其中与碳亲和力较强的合金元素(如钒元素),因为材料中碳含量已受到严格控制,除部分与C形成VC外,其余以原子状态溶入固熔体起到固熔强化的作用;与碳亲和力较弱的元素(如Mn、Cr、W、Mo等),由于Cr、W含量较高将形成特殊的化合物,如Cr7C3或(Fe、Cr)7C3、WC或(Fe、W)6C,形成合金渗碳体起到弥散硬化、增加强度和硬度的作用。
根据以上分析,T23在焊接过程中要注意控制焊接线能量的输入,选用适当的焊接电流和焊接速度,并控制层间温度,防止合金元素的烧损,同时选用相匹配的焊接材料进行焊接,在焊接过程中能起到渗合金作用,以弥补合金元素的损失,保证焊缝微观组织和力学性能。
3焊接工艺试验方案
由于T23主要用于电站水冷壁、过热器部件,为使试验具有实用性和参考价值,我们针对T23小管进行试验,且采取用手工钨极氩弧焊方法,与实际工程施工相对应。
为分析、对比不同预热及热处理工艺对T23小管氩弧焊焊接接头性能的影响,我们进行了一组对比试验,该组对比试验是在材质、焊接材料的选用、坡口形式、焊接位置、工艺参数等条件均基本一致的情况下,通过采用不同预热及热处理工艺,比较各性能指标的差异。
3.1焊接工艺试验基本条件如下:
材质:
SA213-T23规格:
φ48×7mm
焊接位置:
垂直固定(2G)焊接方法:
手工钨极氩弧焊
焊接材料:
TGS-2CW(φ2.4mm)日本三菱公司生产
保护气体:
氩气(氩气纯度≥99.95%)、氩气流量8~10L/min
焊机:
INVERTIC-I-300
坡口形式:
如图1所示。
图1焊缝坡口尺寸
管口在组对前应对母材内外壁每侧10~15mm范围内的油、漆、垢、锈等清理干净,直至露出金属光泽。
焊口组对尺寸如图1所示,并应尽量使内壁齐平。
焊材化学成分如表2。
表2TGS-2CW焊丝化学成分
牌号CMnSiSPCrMoVWCuBNBAl
TGS-2CW0.060.480.400.0070.0062.450.500.331.250.11<0.010.03<0.01
3.2预热及热处理方案的选择
进行三组对比试验,每组方案的基本试验条件均相同,只是在是否预热、有无焊后热处理方面有所差异,经查有关资料,T23的Ac1温度范围为800~820℃,并参考有关热处理规范要求,确定焊后热处理温度为715~735℃。
具体方案设置如表3:
表3不同方案热处理参数对比
名称预热(℃)层间温度(℃)焊后热处理(℃)
方案1150~200≤350N/A
方案2N/A≤350715~735℃0.75H
方案3150~200≤350715~735℃0.75H
4实验过程
4.1选择有经验的、焊接质量稳定的焊工作为工艺试验操作者。
4.2每组方案各焊制3个焊口进行相关检验。
4.3焊接前制定详细的焊接工艺试验方案,确定焊接工艺参数参考值,明确注意事项,并严格按工艺试验方案要求进行施焊。
4.4焊接预热方法可采用火焰加热,预热温度及层间温度用专用测温笔进行控制。
4.5各方案的焊接工艺参数记录值如表4~6。
表4方案1焊接工艺参数
焊层焊道焊接方法电流范围电压范围(V)焊接速度范围(mm/min)焊接线能量
极性电流(A)
1GTAW正接98~10511~1250~5511.7~15.1
2/1-2GTAW正接98~10511~1255~7511.7~13.7
3/1-2GTAW正接116~12011~1248~5214.7~18
4/1-2GTAW正接116~12011~1244~5813.2~18.9
表5方案2焊接工艺参数
焊层焊道焊接方法电流范围电压范围(V)
焊接速度范围(mm/min)焊接线能量
极性电流(A)
1GTAW正接105~11511~1250~5512.6~16.6
2/1-2GTAW正接105~11511~1260~7011.5~13.8
3/1-2GTAW正接105~11511~1255~6011.5~15.5
4/1-2GTAW正接105~11511~1245~6011.5~18.4
表6方案3焊接工艺参数
焊层焊道焊接方法电流范围电压范围(V)焊接速度范围(mm/min)焊接线能量
极性电流(A)
1GTAW正接105~11511~1245~5013.8~18.4
2/1-2GTAW正接105~11511~1260~6511.5~13.8
3/1-2GTAW正接105~11511~1250~6013.8~16.5
4/1-2GTAW正接105~11511~1250~6013.8~16.5
为防止出现根部烧焦、气孔等缺陷,在3个方案中均严格控制线能量的输入,第2层焊接速度较快是为避免第2层焊接时对打底层的重复加热,导致根层焊缝出现过烧现象,同时为控制层间温度,不宜在同一处进行重复施焊,焊接速度不宜太慢,以免停留某处过久造成过烧、咬边等缺陷。
5各方案试验结果对比
所有按要求焊制的焊口经外观、透视检验合格后,进行相关力学性能、金相试验检验。
各方案试样检验结果如下:
5.1方案1焊接接头力学性能及微观金相(见表7和图2)。
表7方案1焊接接头力学性能
检验项目抗拉强度(MPa)弯曲角度硬度(HB)
冲击值(J/cm2)结论
正弯180未发现裂纹
反弯180未发现裂纹
拉伸试验633母材断裂
母材150
热影响区15290
焊缝中心212106
母材(X400)热影响区(X400)熔合区(X400)
图2方案1焊接接头金相组织
分析:
经方案1试焊,焊接接头各项力学性能指标均达到试验要求,微观组织正常,母材区为铁素体+少量回火贝氏体,热影响区为铁素体+回火贝氏体,且铁素体区内有较多的合金碳化物析出,熔合区为铁素体基体+大量弥散分布的合金碳化物组织,且在晶粒边界上碳化物析出较多。
5.2方案2焊接接头力学性能及微观金相(见表8和图3)
表8方案2焊接接头力学性能
检验项目抗拉强度(MPa)弯曲角度硬度(HB)冲击值(J/cm2)结论
正弯180
未发现裂纹
反弯180
未发现裂纹
拉伸试验579
母材断裂
母材127
热影响区136214
焊缝中心206184
母材(X400)热影响区(X400)
熔合区(X400)
图3方案2焊接接头金相组织
分析:
经方案2试焊,焊接接头各项力学性能指标均达到试验要求,微观组织正常。
母材区为铁素体+少量回火贝氏体;热影响区为铁素体+回火贝氏体,贝氏体组织十分明显,由于进行了焊后热处理,碳化物进行了重组,有部分合金元素经高温回火以固熔体的形式存在,因此比较方案1、2的热影响区可见铁素体基体上的碳化物析出较少;熔合区为铁素体基体+细小的合金碳化物组织,碳化物分布较均匀。
因此比较方案1、2,因焊后热处理导致碳化物分布不同,且合金在热处理后固熔强化效果增强,使材料在热处理后硬度下降而冲击韧性增强。
5.3方案3焊接接头力学性能(见表9和图4)
表9方案3焊接接头力学性能
检验项目抗拉强度(MPa)弯曲角度硬度(HB)冲击值(J/cm2)
结论
正弯180
未发现裂纹
反弯180
未发现裂纹
拉伸试验576
母材断裂
母材133
热影响区128209
焊缝中心152205
母材(X400)热影响区(X400)
熔合区(X400)
图4方案3焊接接头金相组织
分析:
经方案3试焊,焊接接头各项力学性能指标均达到试验要求,微观组织正常。
母材区为铁素体+少量回火贝氏体;热影响区为铁素体+回火贝氏体;熔合区为铁素体基体+细小的合金碳化物组织,碳化物分布较均匀。
因此比较方案2、3,材料在力学性能和金相组织相差不大,可见有无预热对T23小管焊接接头质量影响不大。
5.4试验结果比较分析
5.4.1以上3方案按不同热处理方案处理,在相同焊接条件下所焊制的焊接接头力学性能、微观金相结果均达到试验要求,证明在有无热处理的条件下,T23钢材均能达到使用要求的性能指标。
5.4.2方案2及方案3的力学性能指标相近,说明有无预热对T23小管焊接来说影响不大。
5.4.3方案1与方案2、3指标差别在于焊缝硬度和冲击值,说明经焊后热处理碳化物分布均匀,改善了焊缝组织,降低焊缝硬度且提高冲击韧性。
6结论
6.1对T23材质小管全氩弧焊接来说,按不同热处理方案处理,在相同焊接条件下均可得到优质焊接接头,说明焊接热处理对材质焊接力学性能影响不大,对于小管焊接只要控制好焊接速度、层间温度等,可不采取预热和焊后热处理措施。
由于在T23主要用于电站的水冷壁、过热器等管道,均为小径管,因此在实际焊接时只要按工艺要求严格控制焊接参数,可不采取焊前预热和焊后热处理的工艺措施。
6.2焊后热处理对焊缝的硬度和冲击韧性仍有一定的影响,因此对于T23大管焊接来说,因管壁较厚,焊接完成后因热输入不均可能会造成组织间合金成分差异较大,焊后残余应力也大,因此对T23大管是否需预热和焊后热处理仍有待进一步探讨。
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