CN104722891A - Hr3c同种耐热钢的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及焊接领域，公开了一种HR3C同种耐热钢的焊接方法，该焊接方法包括以下步骤：将待焊接的HR3C同种耐热钢母材进行多层焊接，所述多层焊接依次包括打底层焊接、填充层焊接和盖面层焊接，且层间温度为80-100℃。通过本发明的焊接方法得到的焊接后的焊接接头的抗拉伸性能、抗冲击性能和抗弯曲性能均得到显著的增强，且其布氏硬度符合DL/T752-2001和DL 869-2004等的相关要求。

Description

HR3C同种耐热钢的焊接方法
技术领域
本发明涉及一种同种耐热钢的焊接方法，具体地，涉及一种HR3C同种耐热钢的焊接方法。
背景技术
20世纪80年代初，美国、日本和欧洲就已投入了大量的财力和研究人员开展各自的新型耐热材料。这些材料分别针对不同主蒸汽温度级别(如580℃级别、600℃级别、620℃级别和650℃级别)的机组进行应用。到目前为止，欧洲已经投运了主蒸汽温度达到580℃的超超临界机组，日本投运了主蒸汽温度达到600℃的机组。从现有的实际机组的运行来看，目前国际上成熟的新型耐热材料已经可以用于建造蒸汽温度为620℃的机组。针对锅炉受热管用耐热材料，日本从90年代早期就开始采用了HR3C、Super304H和TP347HFG等新型奥氏体耐热钢。
2014年9月份，国家发改委、环保部和国家能源局三部委联合下发《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)》。要求新建燃煤发电项目采用60万千瓦及以上的超超临界机组。国内已经投产及在建的超超临界百万机组上百台，更高参数的新型高效机组计划建设和已经在建的也有数十台，上述机组均选用了T22、T91、T92、TP347H、Super304H、HR3C等新型耐热钢材料，然而机组参数的提高意味着材料需要耐受更高温度以及更大压力。因此，在超超临界机组锅炉的制造、安装及检修过程中，超超临界机组锅炉用新型耐热材料的焊接技术成为是否能够高效运行超超临界机组的核心关键技术。
HR3C型耐热钢属于高Cr高Ni的单一奥氏体钢，研究表明，焊接同种HR3C型的纯奥氏体耐热钢比传统的TP347H更困难些，并且这类钢不能采用α+γ双相组织的填充金属，以保证焊缝金属中不发生σ相脆化。且针对焊接同种HR3C型(高Cr和高Ni奥氏体钢)耐热钢，现有的焊接技术获得的焊接接头主要存在抗拉伸性能、抗冲击性能和抗弯曲性能较低的缺陷，从而导致焊接接头出现焊接裂纹和时效脆化等问题。
因此，目前市场上亟需找到一种针对焊接HR3C奥氏体耐热钢焊接操作工艺简单、焊后产品的操作窗口宽泛、焊接质量高且焊接接头能够同时具有抗拉伸性能、抗冲击性能和抗弯曲性能强的优点的焊接方法，以有效降低HR3C奥氏体耐热钢焊接接头早期失效的倾向，保证机组安全运行，使得HR3C奥氏体耐热钢能够在超临界、超超临界机组中得到广泛的推广应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种HR3C同种耐热钢的焊接方法，该焊接方法操作工艺简单且焊接质量高，采用该方法获得的焊接接头的抗拉伸性能、抗冲击性能和抗弯曲性能均得到显著的增强，且其布氏硬度符合DL/T 752-2001和DL 869-2004等的相关要求，从而使得焊接后得到的HR3C耐热钢能够在超临界、超超临界机组中得到广泛的推广应用。
为了实现上述目的，本发明提供一种HR3C同种耐热钢的焊接方法，该焊接方法包括：将待焊接的HR3C同种耐热钢母材进行多层焊接，所述多层焊接依次包括打底层焊接、填充层焊接和盖面层焊接，且层间温度为80-100℃，其中，所述打底层焊接的条件包括：焊接电流为80-90A，焊接电压为10-14V，焊接速度为30-40mm/min；所述填充层焊接的条件包括：焊接电流为90-100A，焊接电压为10-14V，焊接速度为40-50mm/min；所述盖面层焊接的条件包括：焊接电流为90-100A，焊接电压为10-14V，焊接速度为40-50mm/min。
通过上述技术方案得到的焊接后的HR3C同种耐热钢焊接接头的抗拉伸性能、抗冲击性能和抗弯曲性能均得到显著的增强，且其布氏硬度符合DL/T 752-2001和DL 869-2004等的相关要求，从而使得该HR3C同种耐热钢能够在超临界、超超临界机组中得到广泛的推广应用。具体地，该HR3C同种耐热钢焊接接头的抗拉强度Rmv可以达到740MPa以上、抗延伸强度R0.2pv可以达到370MPa以上、延伸率可以达到30％以上；母材侧热影响区冲击功Akv可以达到230J以上、焊缝冲击功Akv可以达到140J以上；母材侧热影响区布氏硬度为185-196HB和焊缝布氏硬度为195-207HB。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供一种HR3C同种耐热钢的焊接方法，该焊接方法包括：将待焊接的HR3C同种耐热钢母材进行多层焊接，所述多层焊接依次包括打底层焊接、填充层焊接和盖面层焊接，且层间温度为80-100℃，其中，所述打底层焊接的条件包括：焊接电流为80-90A，焊接电压为10-14V，焊接速度为30-40mm/min；所述填充层焊接的条件包括：焊接电流为90-100A，焊接电压为10-14V，焊接速度为40-50mm/min；所述盖面层焊接的条件包括：焊接电流为90-100A，焊接电压为10-14V，焊接速度为40-50mm/min。
根据本发明的焊接方法，优选地，在进行多层焊接之前在所述待焊接的HR3C同种耐热钢母材的焊接部位开设V形坡口。所述V形坡口由角向砂轮机修磨而成，修磨完毕后，将所述V形坡口对应的母材部位的表面打磨干净，并露出金属光泽。
优选情况下，所述V形坡口的敞开角度为55°-60°，可以使熔化的母材占焊道金属的百分比(即熔合比)降低。在焊接过程中，由于过大的熔合比会增加焊缝的稀释率，使过渡层更加明显，而上述优选的所述V形坡口的敞开角度可以控制过渡层的厚度，从而改善焊接接头的焊接性能。
根据本发明的焊接方法，优选情况下，本发明所述多层焊接使用的焊条型号为T-HR3C和/或ERNiCr-3；更优选情况下，所述多层焊接使用的焊条型号为T-HR3C。采用本发明上述焊条进行多层焊接，能够使焊接部位熔化的HR3C耐热钢母材和熔敷金属(焊缝中熔化的焊条部分)形成连续的固溶体，即HR3C耐热钢母材以及焊条这两种材料熔化后能够形成连续的固溶体。这样，可以防止金属间化合物的产生和防止固溶体的剩余成分的析出，从而改善焊接接头的焊接性能。
在本发明中，对所述多层焊接中的打底层焊接、填充层焊接和盖面层焊接使用的焊条直径没有特别的要求，本领域技术人员可以根据实际需要在本领域常规使用的各种范围内进行选择，优选地，所述多层焊接使用的焊条直径为Φ1.6mm-Φ2.4mm。
根据本发明的焊接方法，在焊接部位进行多层焊接过程中，将层间温度控制在80-100℃的范围内，如此可以降低持续的热输入，减少高温停留时间，改善熔池结晶状态。优选所述多层焊接的层间温度为85-95℃。
在本发明中，所述层间温度的控制方法可以采用常规使用的方法，例如可以为在整个焊接过程中使用红外线测温仪监测焊接部位的温度，当焊接部位的温度超过预设温度的允许的上限时，停止焊接操作，同时继续进行温度监测；待焊接部位的温度降至接近于预设温度的允许下限时，再继续进行焊接操作。
根据本发明的焊接方法，该焊接方法还包括：在所述多层焊接中，以退焊的方式将每层焊接成相互间隔开的多个焊道分段。优选情况下，相邻的两个焊道分段中，前一个焊道分段的收弧部位和后一个焊道分段的起弧部位之间间隔5-10mm。如此，可以使应力分布均匀，避免因应力集中而引起焊接质量的下降。并且，根据本发明的更为优选的实施方式，多个焊道分段的每个焊道分段焊接完毕后，使用小锤对该焊道分段和热影响区进行敲击，直到该焊道分段和热影响区的表面布满麻点，如此，可进一步消除部分残余应力，并将焊道分段和热影响区的表面的应力分布状态由拉应力状态修正为压应力状态，从而有效地防止裂纹的产生。
根据本发明的焊接方法，本发明所述多层焊接在Ar保护气体存在下进行，优选情况下，所述保护气体中Ar的浓度为99.99％。
在本发明中，优选所述保护气体的流量为9-11L/min。
在本发明中，对所述焊接的设备没有特别的限定，本领域技术人员可以根据常规使用的各种焊接设备进行选择，例如本发明可以采用Miller电焊机进行焊接。
根据本发明的一种具体的实施方式，所述HR3C同种耐热钢的焊接方法可以包括以下步骤：取两段HR3C耐热钢母材。将两段待焊接的HR3C耐热钢母材的焊接部位开设敞开角度为55°-60°的V形坡口；然后在Ar保护气体和型号为T-HR3C和/或ERNiCr-3焊条的存在下，使用Miller焊机在所述耐热钢V形坡口处依次进行打底层焊接、填充层焊接和盖面层焊接，所使用的焊条直径为Φ1.6mm-Φ2.4mm。焊接中以退焊的方式将每层焊接成相互间隔开的多个焊道分段，相邻的两个焊道分段中，前一个焊道分段的收弧部位和后一个焊道分段的起弧部位之间间隔5-10mm，从而使两段HR3C耐热钢母材焊接在一起，控制层间温度为80-100℃。其中焊接的条件如下表1所示：
表1
焊接电流A 焊接电压V 焊接速度mm/min
打底层焊接 80-90 10-14 30-40
填充层焊接 90-100 10-14 40-50
盖面层焊接 90-100 10-14 40-50
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
取两段HR3C耐热钢母材，将两段待焊接的HR3C耐热钢母材的焊接部位开设敞开角度为60°的V形坡口；然后在Ar保护气体和焊条T-HR3C(焊条直径为Φ2.4mm)的存在下，使用Miller焊机在所述耐热钢V形坡口处依次进行打底层焊接(焊接电流为85A，焊接电压为11V，焊接速度为30mm/min)、填充层焊接(焊接电流为95A，焊接电压为14V，焊接速度为43mm/min)和盖面层焊接(焊接电流为95A，焊接电压为14V，焊接速度为43mm/min)，控制层间温度为100℃；焊接中以退焊方式将每层焊接成相互间隔开的多个焊道分段，前一个焊道分段的收弧部位和后一个焊道分段的起弧部位之间间隔10mm，从而使两段HR3C耐热钢母材焊接在一起，得到焊接产品X1。
实施例2
取两段如实施例1所述的HR3C耐热钢母材，将两段待焊接的HR3C耐热钢母材的焊接部位开设敞开角度为55°的V形坡口；然后在Ar保护气体和焊条T-HR3C(焊条直径为Φ1.6mm)的存在下，使用Miller焊机在所述耐热钢V形坡口处依次进行打底层焊接(焊接电流为90A，焊接电压为13V，焊接速度为40mm/min)、填充层焊接(焊接电流为90A，焊接电压为10V，焊接速度为40mm/min)和盖面层焊接(焊接电流为90A，焊接电压为10V，焊接速度为40mm/min)，控制层间温度为95℃；焊接中以退焊方式将每层焊接成相互间隔开的多个焊道分段，前一个焊道分段的收弧部位和后一个焊道分段的起弧部位之间间隔10mm，从而使两段HR3C耐热钢母材焊接在一起，得到焊接产品X2。
实施例3
取两段如实施例1所述的HR3C耐热钢母材，将两段待焊接的HR3C耐热钢母材的焊接部位开设敞开角度为58°的V形坡口；然后在Ar保护气体和焊条T-HR3C(焊条直径为Φ1.6mm)的存在下，使用Miller焊机在所述耐热钢V形坡口处依次进行打底层焊接(焊接电流为88A，焊接电压为13V，焊接速度为38mm/min)、填充层焊接(焊接电流为92A，焊接电压为13V，焊接速度为45mm/min)和盖面层焊接(焊接电流为92A，焊接电压为13V，焊接速度为45mm/min)，控制层间温度为90℃；焊接中以退焊方式将每层焊接成相互间隔开的多个焊道分段，前一个焊道分段的收弧部位和后一个焊道分段的起弧部位之间间隔7mm，从而使两段HR3C耐热钢母材焊接在一起，得到焊接产品X3。
实施例4
采用与实施例1相同的焊接方法进行，所不同的是，焊接之前在所述待焊接的HR3C同种耐热钢母材的焊接部位开设V形坡口的敞开角度为45°，得到焊接产品X4。
实施例5
采用与实施例1相同的焊接方法进行，所不同的是，焊接中以退焊方式将每层焊接成相互间隔开的多个焊道分段，前一个焊道分段的收弧部位和后一个焊道分段的起弧部位之间间隔0mm，得到焊接产品X5。
对比例1
采用与实施例1相同的焊接方法进行，所不同的是，层间温度为120℃，得到焊接产品D1。
测试例
(1)抗拉伸性能测试
按照GB2651-2008规定的方法分别对实施例1-5和对比例1所得的焊接产品X1-X5和D1的焊接接头进行拉伸性能的测试，所得的结果如表2所示。
(2)抗弯曲性能测试
按照GB/T2653-2008规定的方法分别对实施例1-5和对比例1所得的焊接产品X1-X5和D1的焊接接头进行弯曲性能的测试，所得的结果如表2所示。
(3)抗冲击性能测试
按照GB2650-2008规定的方法分别对实施例1-5和对比例1所得的焊接产品X1-X5和D1的焊接接头进行冲击性能的测试，所得的结果如表2所示。
(4)布氏硬度测试
按照GB/T 231.1-2009规定的方法分别对实施例1-5和对比例1所得的焊接产品X1-X5和D1的焊接接头进行布氏硬度的测试，所得的结果如表2所示。
从表2的结果可以看出，采用本发明的焊接方法得到的HR3C同种耐热钢的焊接接头的抗拉伸性能、抗冲击性能和抗弯曲性能均获得了显著的增强，满足超超临界机组中HR3C同种耐热钢的制作要求，且其布氏硬度符合DL/T 752-2001和DL 869-2004等的相关要求。具体地，该HR3C同种耐热钢焊接接头的抗拉强度Rmv可以达到740MPa以上、抗延伸强度R0.2pv可以达到370MPa以上、延伸率可以达到30％以上；HR3C母材侧热影响区冲击功Akv可以达到230J以上、焊缝冲击功Akv可以达到140J以上、HR3C母材侧热影响区布氏硬度为185-196HB和焊缝布氏硬度为195-207HB。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种HR3C同种耐热钢的焊接方法，该焊接方法包括：将待焊接的HR3C同种耐热钢母材进行多层焊接，所述多层焊接依次包括打底层焊接、填充层焊接和盖面层焊接，且层间温度为80-100℃，其中，
所述打底层焊接的条件包括：焊接电流为80-90A，焊接电压为10-14V，焊接速度为30-40mm/min；
所述填充层焊接的条件包括：焊接电流为90-100A，焊接电压为10-14V，焊接速度为40-50mm/min；
所述盖面层焊接的条件包括：焊接电流为90-100A，焊接电压为10-14V，焊接速度为40-50mm/min。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其中，所述多层焊接的层间温度为85-95℃。
3.根据权利要求1或2所述的焊接方法，其中，所述多层焊接使用的焊条型号为T-HR3C和/或ERNiCr-3；
优选地，所述多层焊接使用的焊条型号为T-HR3C。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的焊接方法，其中，所述多层焊接使用的焊条直径为Φ1.6mm-Φ2.4mm。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的焊接方法，其中，所述多层焊接的操作方式为：以退焊的方式将每层焊接成相互间隔开的多个焊道分段。
6.根据权利要求5所述的焊接方法，其中，相邻的两个焊道分段中，前一个焊道分段的收弧部位和后一个焊道分段的起弧部位之间间隔5-10mm。
7.根据权利要求1所述的焊接方法，其中，该焊接方法还包括在进行多层焊接之前在所述待焊接的HR3C同种耐热钢母材的焊接部位开设V形坡口。
8.根据权利要求7所述的焊接方法，其中，所述V形坡口的敞开角度为55°-60°。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的焊接方法，其中，所述多层焊接在Ar保护气体存在下进行。
10.根据权利要求9所述的焊接方法，其中，所述保护气体的流量为9-11L/min。
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