CN107699793B - 奥氏体耐热钢Super304H接头焊材及其焊接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型奥氏体耐热钢Super304H接头焊材，其质量分数为：碳C 0.08～0.10%，硅Si 0.20～0.30%，锰Mn 0.88～0.92%，铬Cr 18.45～18.50%，镍Ni 9.50～9.55%，铜Cu 2.80～2.85%，铌Nb 0.40～0.43%，氮N 0.08～0.09%，钼Mo 0.05%，钴Co 0.05%，硫S 0.005%，磷P 0.014%。该接头焊材的焊接工艺如下：焊接方法：氩弧焊，单面焊双面成型；坡口型式：V型坡口，间隙2mm～3mm，坡口钝边0.5～1mm，坡口角度60～65°；焊接位置：5G，采用多层多道焊；控制焊缝铁素体含量在5～12%，进而控制焊缝的时效脆化；接头焊材热强系数在95%以上。本发明的接头焊材及其焊接工艺可以明显控制焊缝的时效脆化，减小热输入，减小过热区宽度和晶粒尺寸，延长接头寿命。

Description

奥氏体耐热钢Super304H接头焊材及其焊接工艺

技术领域：

本发明涉及一种超临界锅炉新型耐热钢焊材及其焊接工艺，特别是涉及一种奥氏体耐热钢Super304H接头焊材及其焊接工艺，属于耐热钢焊接材料及工艺技术领域。

背景技术：

为了满足国民经济发展和人民生活水平日益提高对电力的需求，自2002年以来，我国电力工业持续高速发展。为了提高机组的效率、满足环境保护的要求和降低机组的能耗，各地兴建了一大批超临界、超超临界600MW、660MW 和1000MW 机组。超（超）临界锅炉的工作温度和压力较传统亚临界机组都有显著提高，对锅炉用钢的高温性能提出了更高的要求，为此，超（超）临界锅炉的重要部件大量采用新型耐热钢。国外开发的Super304H、HR3C等新型奥氏体不锈钢具有很好的高温蠕变强度、抗烟气腐蚀、蒸汽氧化的能力，被广泛应用于锅炉的末级过热器和高温再热器等工况条件苛刻的部件。

奥氏体耐热钢Super304H是制造超（超）临界机组末级过热器和高温再热器等工况条件苛刻部件的理想材料，但是该钢的焊接性能，特别是接头的高温性能和焊材的选择一直是困扰其应用的主要问题，严重影响到锅炉岛制造和安装质量、效率的提高和成本的降低，甚至危及到机组的安全经济运行。因此焊材及接头能否获得与母材匹配的高温蠕变性能是制约Super304H等高等级耐热钢应用的首要问题，此外焊材的工艺性能和经济性也是需考量的重要因素。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种奥氏体耐热钢Super304H接头焊材及其焊接工艺，可以明显控制焊缝的时效脆化，减小热输入，减小过热区宽度和晶粒尺寸，延长接头寿命。

本发明为解决技术问题所采取的技术方案是：

一种奥氏体耐热钢Super304H接头焊材，所述Super304H接头焊材的质量分数为：碳C 0.085%，硅Si 0.28%，锰Mn 0.89%，铬Cr 18.49%，镍Ni 9.51%，铜Cu 2.84%，铌Nb0.42%，氮N 0.087%，钼Mo 0.05%，钴Co 0.05%，硫S 0.005%，磷P 0.014%。

上面所述的奥氏体耐热钢Super304H接头焊材的焊接工艺，其特征在于：

①焊接方法：氩弧焊，单面焊双面成型；

②坡口型式：V型坡口，间隙2mm～3mm，坡口钝边0.5～1mm ，坡口角度60～65°；

③焊接位置：5G，采用多层多道焊；

④控制焊缝铁素体含量在5～12%，进而控制焊缝的时效脆化；

⑤接头焊材热强系数在95%以上。

本发明的接头焊材及其焊接工艺可以明显控制焊缝的时效脆化，减小热输入，减小过热区宽度和晶粒尺寸，延长接头寿命。

在本发明的奥氏体耐热钢Super304H接头焊材中：

碳C：是促进奥氏体形成的元素，可间隙固溶于基体晶格中造成强烈的晶格畸变，固溶强化作用剧烈。碳在焊缝中的固溶量增多时可提高焊缝的高温强度。但是，对于长期高温服役的钢材，碳含量的增加会影响组织稳定性，例如以第二相形式析出M₂₃C₆并聚集长大。碳也会影响σ相的形成，增加碳含量可降低基体组织中的铬含量，使σ相的析出速度减慢；同时，由于碳原子在σ相中的溶解度很低，碳含量的增加也将抑制金属间相的形成。所以碳含量对焊缝性能的影响比较复杂，与温度、时间、应力以及碳与合金元素之间的相互作用有关，本发明优选碳的质量分数在0.08% ；

硅Si：作为铁素体形成元素，在高温条件下，含硅的焊缝表面可形成一层致密的氧化膜，有效提高焊缝的高温抗氧化性能。增加不锈钢中的硅含量到4～5%时，可改善组织的耐腐蚀性能。然而，如果焊缝中硅含量过高时，会使碳的活动能力增强，易形成碳化物或碳氮化物，在晶界析出聚集。所以为了提高抗晶间腐蚀能力，本发明优选硅的质量分数在0.20%；

锰Mn：奥氏体形成元素，其含量与焊缝中的镍含量有关，且锰的奥氏体化作用弱于镍。在奥氏体不锈钢中，锰在焊缝中可减弱硫的有害作用，锰与硫结合生成MnS，其熔点高于FeS，可减小热裂纹的形成倾向，本发明优选锰的质量分数在0.91%；

铬：铁素体形成元素，可提高焊缝的抗高温氧化能力和耐腐蚀能力，在一定范围内还能提高焊缝的持久强度，因为铬能使碳化物在高温下得到强化，这在多元合金化时尤为明显。研究表明当焊缝中存在γ+δ双相组织时，可提高焊缝的抗裂性，δ相可打乱奥氏体柱状晶的方向性，同时细化晶粒，提高焊缝的力学性能。改变Cr_eq/Ni_eq配比，可使焊缝金属中形成5%左右的δ相。对于焊缝凝固过程中出现的组织热膨胀情况，δ相的体积收缩在一定程度上可缓和奥氏体的膨胀，有效降低焊接残余应力。虽然增加铬含量可以提高焊缝的耐蚀性，但若铬含量较高，在820℃时会有脆硬的σ相从δ铁素体中析出，造成奥氏体基体组织的稳定性变差，因此本发明优选铬的质量分数在18.47%；

镍Ni：奥氏体形成元素，镍通过提高焊缝奥氏体组织的稳定性，从而提高焊缝的持久性能，除此之外，镍能改善铬的氧化膜的成分和结构，提高焊缝的抗高温氧化性能。然而，镍会降低碳、氮元素在基体中的溶解度，造成碳的活度增加，从而提高生成M₂₃C₆型碳化物的倾向，本发明优选镍的质量分数在9.53%；

钼Mo：具有较强的铁素体化作用，能够强化晶界，显著提高焊缝的高温强度，同时还可提高焊缝的耐点蚀和耐腐蚀性能。然而，钼也会导致金属间化合物的析出，如σ相、χ相和Laves相，造成焊缝的塑性和韧性下降，本发明优选钼的质量分数在0.05%；

氮N：强奥氏体化元素，提高焊缝奥氏体组织稳定性，具有强烈的固溶强化效果，当加入0.15%的氮时，奥氏体强度可显著提高。但是氮含量若过高，会造成焊缝的韧性降低。高温条件下，焊缝中的氮和铌等元素易在晶内形成NbCrN和Nb(C，N)等细小弥散分布的沉淀强化相，且析出相可以作为M₂₃C₆的形核中心，利于M₂₃C₆的沉淀析出。此外，氮不溶于σ相，可减缓解σ相和碳化物的形成，有利于保持焊缝的高温韧性和耐蚀性，本发明优选氮的质量分数在0.08%；

铌Nb：强碳化物形成元素，铌进入基体前就先与碳结合，起到稳定碳的作用。铌可与焊缝中碳、氮等元素结合以化合物形式析出，如 (Fe，Nb)₃C，Nb(C，N)和NbCrN等。数据表明，若焊缝全为奥氏体，则铌在焊缝金属凝固过程中会促进热裂纹的产生。当焊缝中存在铁素体时，能够大大降低铌对焊缝热裂纹的促进作用。此外，NbCrN和Nb(C，N)相具有良好的热强性，在高温环境下，可有效提高焊缝高温强度和持久强度，本发明优选铌的质量分数在0.42%；

铜Cu：奥氏体形成元素，在蠕变过程中，铜原子以富铜相析出，尺寸细小，弥散分布，起到沉淀强化作用，可使组织蠕变断裂强度大幅度提升，本发明优选铜的质量分数在2.83%。

本发明接头焊材与Super304H母材的成分非常接近，其接头的寿命明显优于普通焊丝的接头，与母材相当。接头的薄弱部位虽然也为紧邻熔合线的过热区，但持久强度最高，说明其焊缝的强度很高，故对薄弱部位的拘束作用非常强。此外，由于其焊缝与母材的成分非常相近，熔合区不存在成分梯度和碳扩散，可以明显控制焊缝的时效脆化，减小热输入，减小过热区宽度和晶粒尺寸，延长接头寿命。

本发明接头焊材工艺性能优于普通的镍基焊丝，接头持久强度明显优于普通的YT304H焊丝，是目前Super304H钢的理想焊接材料。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明做进一步的解释和说明：

实施例1：一种奥氏体耐热钢Super304H接头焊材，其质量分数为：碳C 0.08%，硅Si0.20%，锰Mn 0.88%，铬Cr 18.45%，镍Ni 9.50%，铜Cu 2.80%，铌Nb 0.43%，氮N 0.09%，钼Mo0.05%，钴Co 0.05%，硫S 0.005%，磷P 0.014% 。

上面所述的奥氏体耐热钢Super304H接头焊材的焊接工艺，其特征在于：

①焊接方法：氩弧焊，单面焊双面成型；

②坡口型式：V型坡口，间隙2mm～3mm，坡口钝边0.5～1mm ，坡口角度60～65°；

③焊接位置：5G，采用多层多道焊；

④控制焊缝铁素体含量在5～12%，进而控制焊缝的时效脆化；

⑤接头焊材热强系数在95%以上。

实施例2：本实施例和实施例1的的焊接工艺完全相同，相同之处不重述，不同之处在于：一种奥氏体耐热钢Super304H接头焊材，其质量分数为：碳C 0.08%，硅Si 0.20%，锰Mn0.91%，铬Cr 18.47%，镍Ni 9.53%，铜Cu 2.83%，铌Nb 0.42%，氮N 0.08%，钼Mo 0.05%，钴Co0.05%，硫S 0.005%，磷P 0.014% 。

实施例3：本实施例和实施例1的的焊接工艺完全相同，相同之处不重述，不同之处在于：一种奥氏体耐热钢Super304H接头焊材，其质量分数为：碳C 0.10%，硅Si 0.30%，锰Mn0.92%，铬Cr 18.50%，镍Ni 9.55%，铜Cu 2.85%，铌Nb 0.43%，氮N 0.09%，钼Mo 0.05%，钴Co0.05%，硫S 0.005%，磷P 0.014% 。

实施例4：本实施例和实施例1的的焊接工艺完全相同，相同之处不重述，不同之处在于：一种奥氏体耐热钢Super304H接头焊材，其质量分数为：碳C 0.09%，硅Si 0.23%，锰Mn0.90%，铬Cr 18.47%，镍Ni 9.52%，铜Cu 2.81%，铌Nb 0.41%，氮N 0.085%，钼Mo 0.05%，钴Co0.05%，硫S 0.005%，磷P 0.014% 。

实施例5：本实施例和实施例1的的焊接工艺完全相同，相同之处不重述，不同之处在于：一种奥氏体耐热钢Super304H接头焊材，其质量分数为：碳C 0.085%，硅Si 0.28%，锰Mn 0.89%，铬Cr 18.49%，镍Ni 9.51%，铜Cu 2.84%，铌Nb 0.42%，氮N 0.087%，钼Mo 0.05%，钴Co 0.05%，硫S 0.005%，磷P 0.014% 。

实施例6：本实施例和实施例1的的焊接工艺完全相同，相同之处不重述，不同之处在于：一种奥氏体耐热钢Super304H接头焊材，其质量分数为：碳C 0.095%，硅Si 0.24%，锰Mn 0.91%，铬Cr 18.47%，镍Ni 9.54%，铜Cu 2.83%，铌Nb 0.43%，氮N 0.084%，钼Mo 0.05%，钴Co 0.05%，硫S 0.005%，磷P 0.014% 。

在上述实施例1～实施例6中，实施例2所述的奥氏体耐热钢Super304H接头焊材性能最优越，接头寿命最长。

Claims (1)

1.一种奥氏体耐热钢Super304H接头焊材的焊接工艺，所述Super304H接头焊材的质量分数为：碳C 0.08～0.10%，硅Si 0.20～0.30%，锰Mn 0.88～0.92%，铬Cr 18.45～18.50%，镍Ni 9.50～9.55%，铜Cu 2.80～2.85%，铌Nb 0.40～0.43%，氮N 0.08～0.09%，钼Mo0.05%，钴Co 0.05%，硫S 0.005%，磷P 0.014%，其特征在于：

①焊接方法：氩弧焊，单面焊双面成型；

②坡口型式：V型坡口，间隙2mm～3mm，坡口钝边0.5～1mm ，坡口角度60～65°；

③焊接位置：5G，采用多层多道焊；

④控制焊缝铁素体含量在5～12%，进而控制焊缝的时效脆化；

⑤接头焊材热强系数在95%以上。