CN112621042B - 2.25Cr1Mo0.25V钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及异种钢接头的热处理，公开了一种2.25Cr1Mo0.25V钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头制造方法，先在2.25Cr1Mo0.25V的工件一的端面上堆焊堆焊层，之后对堆焊层进行第一次热处理，然后焊接堆焊层与工件二的连接焊缝，对连接焊缝进行第二次热处理，堆焊层为厚度不小于3mm的非奥氏体Cr‑Mo耐热钢材料，第一次热处理的温度不低于680℃，第二次热处理采用分段热处理，靠近工件一的一端热处理温度高于靠近工件二的一端热处理温度。本发明不用堆焊镍基材料，可提高焊缝质量可靠性并降低成本，主要适用于高温承压条件下服役的2.25Cr1Mo0.25V异种钢接头。

Description

2.25Cr1Mo0.25V钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头制造 方法
技术领域
本发明涉及锅炉压力容器异种钢接头热处理方法。
背景技术
目前，部分热交换器产品（例如火电站高压加热器）由于其蒸汽进口侧温度高达到500℃以上，在高温段需要用到2.25Cr1Mo0.25V的材料，该材料需要与碳锰低合金高强钢的管板对接，由于该两种材料的焊后热处理温度差异很大，2.25Cr1Mo0.25V根据国家标准NB/T 47015的规定，焊后热处理温度不能低于680℃，为保证材料性能，业内主要采用的热处理温度为705±15℃，而碳锰低合金高强钢的热处理温度不宜过高，过高会导致材料性能劣化，如电力部标准DL/T819中推荐热处理温度为580-620℃，业内一般采用620℃±15℃的热处理规范。因此以上两种材料的热处理温度没有交集，直接对接后无法进行热处理。
为了解决以上两种材料的接头不能热处理的问题，目前主要采用的技术是：2.25Cr1Mo0.25V钢和碳锰低合金钢的两个工件分别堆焊镍基材料，并各自分别热处理（一侧按700℃热处理，一侧按620℃热处理）后再采用镍基焊材将两堆焊层焊接起来，连接焊缝不再进行热处理。现有的加工方案存在的技术问题是：（1）镍基材料昂贵，制造成本高；（2）镍基材料焊接难度大，焊缝合格率低；（3）焊缝为奥氏体焊缝，UT探伤缺陷不能有效检出，存在质量风险。（4）焊缝为奥氏体组织、两侧母材为铁素体组织，两者线膨胀系数很大，高温运行会导致接头热应力增大。
此外，目前在一些常温条件下服役的非承压构件（如裙座等）上使用的2.25Cr1Mo0.25V材料与Q345R异种钢接头中，有采用以下方式的：先在2.25Cr1Mo0.25V端面堆焊与另一侧母材（Q345R）匹配的焊材（J507）过渡层，对过渡层采用705℃热处理，之后堆焊层再与碳钢对接，对接后采用较低温度对焊缝进行热处理。该方法只能用于常温非承压条件下的构件，而不适宜于用于高温运行的承压设备。原因如下：（1）对强度等级较高（高于550MPa）的碳锰钢与2.25Cr1Mo0.25V材料的焊接接头，若堆焊碳锰钢焊材，则在如此高的热处理温度（700℃左右的温度）下热处理后的强度不易达到母材强度要求，于2014年11月出版的《石油化工设备》第43卷第6期第6～9页登载的《不同热处理制度对Q345R(HIC)焊接接头组织及性能的影响》一文研究显示，随着热处理温度的提高，接头的强度明显下降，而且也提到热处理温度升高后，碳化物从细小逐步长大，分散的球状碳化物对冲击不利。2016年出版的《压力容器》第33卷第7期第6～9页登载的《去应力退火温度对Q345R焊接接头性能及组织的影响》研究中显示：（1）去应力热处理温度升高，强度和硬度降低明显。（2）过高的热处理温度会导致碳锰钢及焊缝的珠光体组织球化，而且温度越高，球化越严重。2020年6月出版的《压力容器》第37卷第6期第15～18页登载的《Q345R+12Cr2Mo1R异种钢焊接及热处理试验研究》一文也说明了这一点。珠光体球化后会导致材料的蠕变强度和持久强度明显下降，可参见2013年3月出版的《锅炉技术》第44卷第2期第49-51页《高压锅炉过热器爆管原因分析》。在高温条件下运行的承压设备，均需要考虑高温蠕变性能和持久强度。因此，碳锰钢堆焊层经历700℃左右的热处理后，会严重影响其高温持久性能和高温蠕变性能。（3）因为2.25Cr1Mo0.25V材料中的Cr含量较高，而碳钢堆焊层中没有Cr元素，碳与Cr的亲和力较高，在高温服役环境下，堆焊层的碳会向2.25Cr1Mo0.25V材料迁移，从而导致堆焊层与母材交界处形成软化带导致接头早期时效。由此可知，2.25Cr1Mo0.25V端面先堆焊与碳锰低合金钢相匹配的焊材，在较高温度下热处理的方案存在强度降低的风险和高温服役条件下早期时效的风险。
发明内容
为克服2.25Cr1Mo0.25V钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头难以热处理的问题，现有的热处理方法成本高、质量风险较大的问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够降低成本和质量风险的2.25Cr1Mo0.25V钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头制造方法，在不堆焊镍基材料或碳锰低合金钢材料的条件下，实现该类型异种钢接头的热处理。本发明通过提供一种堆焊热处理温度介于两种材料之间的堆焊层来缩小热处理温度梯度，然后采用分段热处理方法，实现热处理温度差异显著的两种材料接头的热处理，较为理想的解决了热处理和接头性能保证难于两全的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：2.25Cr1Mo0.25V钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头制造方法，先在2.25Cr1Mo0.25V的工件一的端面上堆焊堆焊层，之后对堆焊层进行第一次热处理，然后焊接堆焊层与工件二的连接焊缝，对连接焊缝进行第二次热处理，所述堆焊层为厚度不小于3mm的非奥氏体Cr-Mo耐热钢堆焊层，第一次热处理的温度不低于680℃，第二次热处理采用分段热处理，靠近工件一一端的热处理温度高于靠近工件二一端的热处理温度。
具体操作中，对堆焊层进行680～710℃的热处理，探伤合格后，再焊接堆焊层与热处理温度低的工件二的连接焊缝，对连接焊缝进行分段热处理。先完成堆焊层热处理并探伤合格后再进行连接焊缝的焊接和热处理，可以避免堆焊不合格的中间产品进入下一工序，若带有缺陷的堆焊层进入下一工序完成连接焊缝的焊接后，则存在以下问题：在连接焊缝进行探伤时会检测到堆焊层中的缺陷，这样就需要对堆焊层的缺陷进行返修，但是堆焊层紧挨着母材一，返修后的热处理要兼顾母材一不低于680℃的要求，这样的热处理温度会对连接焊缝造成性能劣化，因此返修后无法热处理，出现该类问题则需要切除连接焊缝，将堆焊层和工件二分开后对堆焊层进行返修并热处理，之后再重新焊接连接焊缝。这样会导致生产周期和成本的大幅增加。
以上技术方案可适用于高温环境条件下使用的2.25Cr1Mo0.25V钢与碳锰低合金钢的异种钢焊接接头。针对接头的室温抗拉强度下限不低于550MPa的严苛选材要求，利用非奥氏体Cr-Mo耐热钢堆焊层和梯度化热处理温度选择，实现了2.25Cr1Mo0.25V钢与碳锰低合金钢的异种钢焊接接头的高质量、高可靠性解决方案。
具体的，应当按堆焊层在经历650-710℃范围内的任何温度下热处理后的性能不低于接头两侧母材中性能要求较低一侧母材的标准规定进行堆焊层的材料选择。应当按连接焊缝区在经历580-670℃范围内的任何温度下热处理后的性能不低于两侧母材中性能要求较低一侧母材的标准规定进行连接焊缝焊材的材料选择。以下给出了一些能达到以上要求的选择条件。
所述堆焊层的焊材熔敷金属的化学成分在下述范围内（按质量分数）：C:0.05-0.15%；Si≤0.8%，0.4≤Mn≤1.2%，Cr：1.0-1.75%；Mo：0.4-0.65%，同时化学成分满足AC1点不低于720℃的要求。AC1的计算公式是这样的：AC1=723-10.7Mn-16.9Ni+29Si+16.9Cr+290As+6.38W。
进一步的，堆焊层所采用的焊材熔敷金属的化学成分在下述范围内（按质量分数）：0.8≤Mn≤1.2%，Cr：1.2-1.75%。
所述堆焊层的厚度不小于8mm。
根据以上成分选择，确定堆焊层的热处理温度为695℃±15℃，热处理时间不小于4小时。对于堆焊层的热处理，可采用整体热处理或局部热处理。
堆焊层的热处理优先采用整体热处理，堆焊层的更理想的热处理温度为690℃±10℃。
所述连接焊缝的焊材熔敷金属的化学成分按质量分数满足以下要求：C：0.05-0.15%，Mn：1.5-2.0%；Mo:0.5-0.90%；Ni≤1.2%，Cr：0.01-0.5%，同时化学成分满足AC1点不低于680℃的要求。AC1的计算公式是这样的：AC1=723-10.7Mn-16.9Ni+29Si+16.9Cr+290As+6.38W。
为保证性能，连接焊缝的热处理只能采用局部热处理，并分段控温，即分段热处理。具体方式是：包扎工件一侧焊缝：包扎起点位于连接焊缝的中心线到连接焊缝与堆焊层交界线的任意点，包扎终点位于距离堆焊层与工件一交界线不小于100mm的工件一上，加热温度650-670℃；包扎工件二侧焊缝：包扎起点位于连接焊缝中心线到连接焊缝与工件二交界线的任意点，包扎终点位于距离焊缝与工件二交界线不小于100mm的工件二上，热处理温度580-640℃。
本发明的有益效果是：在不堆焊镍基材料的条件下，实现2.25Cr1Mo0.25V钢与碳锰低合金钢异种钢的焊接及热处理，避免了堆焊镍基材料带来的成本高、制造难度大、存在质量风险的问题，也避免了采用碳锰钢堆焊层在高温热处理下引起的性能劣化导致高温运行时早期失效的问题，同时避免了采用碳锰钢堆焊层在高温服役环境下引起的碳迁移导致的早期时效。该方案可提高焊缝质量可靠性并降低加工成本，其主要适用于火电锅炉和辅机、化工容器等产品中，要求接头室温抗拉强度下限大于550MPa的、在高温承压条件下服役的2.25Cr1Mo0.25V异种钢接头。
附图说明
图1是本发明的异种钢接头结构的示意图。
图中标记为：61-工件一，62-工件二，63-堆焊层，64-连接焊缝。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明的一种2.25Cr1Mo0.25V钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头制造方法，首先在工件一61与工件二62相连接一侧的端面上堆焊厚度不小于3mm非奥氏体Cr-Mo耐热钢的堆焊层63，堆焊层63的厚度不小于3mm，对堆焊层63进行680-710℃热处理，然后焊接堆焊层63与工件二62的连接焊缝64，对连接焊缝64进行分段热处理。非奥氏体Cr-Mo耐热钢堆焊层63性能满足以下要求：在经历650-710℃范围内的任何温度下热处理后的性能不低于两侧母材中性能要求较低一侧母材的标准规定，由此，可以让堆焊层63起到热处理温度由高温向低温过渡的作用，一方面是为了能满足标准（NB/T47015）对2.25Cr1Mo0.25V材料的最低热处理要求（标准规定不小于680℃，考虑炉温波动温度，故上限定为710℃），同时也是为了保证2.25Cr1Mo0.25V热影响区（由堆焊引起的热影响区）的性能，如果温度较低，热影响区的冲击功会降低，硬度会过高；另一方面，由于堆焊层为Cr-Mo耐热钢，为了保证堆焊层的性能，并结合NB/T47015标准，对堆焊层热处理温度下限确定为650℃。堆焊层63之所以要求下限不小于3mm是为了避免连接焊缝64的热影响区对2.25Cr1Mo0.25V产生影响，因为当连接焊缝64采用熔化极气保焊方法时，通过控制焊接线能量，热影响区宽度可控制在2mm，所以，为了不使热影响区扩展到2. 25Cr1Mo0.25V材质上，规定堆焊层下限不小于3mm。连接焊缝64的性能满足以下要求：在经历580-670℃范围内的任何温度下热处理后的性能满足接头性能要求，如此要求是为了让堆焊层63的热处理温度向工件二62的热处理温度过渡。
所述堆焊层63焊材熔敷金属的化学成分中须含有Cr和Mo元素，其中（按质量分数）Cr：1.0-2.0%；Mo:0.3-1.0%，使其焊接接头能够应用于高温运行条件，避免碳锰低合金钢侧的碳迁移引起的软化带，同时也更容易保证接头强度值，同时相比于碳锰钢堆焊层，Cr-Mo耐热钢堆焊层减小了堆焊层在690℃热处理时因为珠光体球化而带来的堆焊层高温持久强度和蠕变强度降低的风险。
进一步的是，为满足焊缝金属在经历650-710℃范围内任何温度下的热处理后，堆焊层性能满足接头强度要求，可从现有的焊材中选取适合于本发明需要的1.25Cr0.5Mo型焊材，所述堆焊层63焊材熔敷金属的化学成分在下述范围内（按质量分数）：C:0.05-0.15%；Si≤0.8%，0.4≤Mn≤1.2%，Cr：1.0-1.75%；Mo：0.4-0.65%。堆焊层63的化学成分同时能满足AC1（按AC1=723-10.7Mn-16.9Ni+29Si+16.9Cr+290As+6.38W）计算值不小于720℃。之所以如此选用焊材，是因为1.25Cr0.5Mo型材料标准（NB/T47015）规定的最小热处理温度为650℃，业内采用690±10℃制造的容器具有大量的应用业绩，因此该材料可以承受690±15℃的热处理温度。同时规定AC1点不小于720℃，是为了避免堆焊层63在695±15℃的热处理时，由于温度超过材料的AC1点从而破坏对焊层的性能。
在此基础上，考虑到部分接头的室温抗拉强度下限达到590MPa，比如12Cr2Mo1VR+20MnMoNb接头，为进一步保证接头的室温抗拉强度，所述堆焊层63焊材熔敷金属的化学成分在下述范围内（按质量分数）：0.8≤Mn≤1.2%，Cr：1.2-1.75%。
考虑到后续连接焊缝64焊接时产生的热影响区宽度可能会达到6mm左右，如采用埋弧焊方法时热影响区会达到6mm，如果堆焊层63的厚度太小将会影响到工件一61，因此，堆焊层63的厚度最好不小于8mm，以保证加工质量和性能。
堆焊层63的热处理可采用局部热处理，也可采用整体热处理，优选整体热处理。热处理温度为695℃±15℃。为保证热处理后堆焊层强度并结合化工容器产品对1.25Cr-0.5Mo钢的热处理经验和业绩，优选的热处理温度为690℃±10℃。
连接焊缝64的焊接材料采用C-Mn型焊材，进一步的，为保证焊缝强度，焊材采用较高C、Mn元素，为了减小高温服役条件下的碳迁移，焊缝中含有少量的Cr元素，同时为了保证焊缝的冲击功，连接焊缝中宜含有适当的Ni。推荐连接焊缝64熔敷金属化学成分在以下范围内（按质量分数），C：0.05-0.15%， Mn：1.5-2.0%；Mo:0.5-0.90%；Ni≤1.2%；Cr：0.01-0.5%。
连接焊缝64的热处理采用分段局部热处理，主要是为保证连接焊缝64焊接时在堆焊层63上形成的热影响区的冲击功满足要求，同时避免工件二62热处理温度过高引起性能劣化。具体操作要求按以下步骤：（a）包扎工件一61侧焊缝，包扎起点位于连接焊缝64的中心线到连接焊缝64与堆焊层63交界线的任意点，包扎终点位于距离堆焊层63与工件一61交界线不小于100mm的工件一61上，加热温度660±10℃；（b）包扎工件二62侧焊缝，包扎起点位于连接焊缝64中心线到连接焊缝（64）与工件二62交界线的任意点，包扎终点位于距离连接焊缝64与工件二62交界线不小于100mm的工件二62上，热处理温度620±15℃。
进行分段热处理的原因说明：若接头不分段控温热处理，如果整个接头均按碳锰低合金钢的热处理温度（如620℃）选择热处理，则连接焊缝64在堆焊层63上形成的热影响区的性能不能得以充分改善，会存在堆焊层63热影响区硬度超标和冲击性能不达标的问题。若整个接头都采用Cr-Mo耐热钢堆焊层允许的最小热处理温度（如660±10℃），则容易出现工件二62母材性能劣化的问题，因此，通过分段热处理解决了以上问题。
实施例：
如图1所示，某高压加热器的筒节的材料为12Cr2Mo1VR，管板的村料为20MnMoNb，12Cr2Mo1VR标准规定的抗拉强度下限为590MPa，20MnMoNb标准规定的抗拉强度下限为610MPa，这两种材料形成的异种钢接头强度不低于两侧母材较低一侧的强度，因此接头强度不小于590MPa，属于典型的高强钢异种钢接头。该产品的筒节最高设计温度约为525℃，在异种钢接头位置的运行温度为420-470℃，运行压力7-9MPa，属于高温条件下运行的承压设备。因此筒节与管板的焊接接头必须考虑到其高温运行条件下的性能，从而谨慎选择接头的热处理方法。所采用的方法是，首先在筒节的端面上堆焊非奥氏体的高Mn含量的1.25Cr0.5Mo耐热钢的堆焊层，堆焊层的厚度为8mm，对堆焊层进行690±10℃的热处理，堆焊层探伤合格后焊接堆焊层与管板的连接焊缝，对连接焊缝进行分段热处理：堆焊层一侧的保温温度为660±10℃，20MnMoNb一侧的热处理温度控制在620±10℃，之所以选用620±10℃，是基于标准NB/T47015规定碳锰低合金钢的热处理温度不低于600℃。
根据该方案进行工艺试验，其接头室温抗拉强度，高温拉伸性能，焊缝及热影响区冲击功和硬度等性能均满足接头性能要求，金相组织未发现珠光体球化的问题。很好的解决了目前2.25Cr1Mo0.25V钢+碳锰低合金钢的异种钢对接的热处理难题。

Claims (6)

1.2.25Cr1Mo0.25V钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头制造方法，先在2.25Cr1Mo0.25V的工件一（61）的端面上堆焊堆焊层（63），之后对堆焊层进行第一次热处理，然后焊接堆焊层（63）与工件二（62）的连接焊缝（64），对连接焊缝（64）进行第二次热处理，其特征是：所述堆焊层（63）为厚度不小于3mm的非奥氏体Cr-Mo耐热钢材料，所述堆焊层（63）的焊材熔敷金属的化学成分在下述范围内（按质量分数）：C：0.05-0.15%；Si≤0.8%，0.4≤Mn≤1.2%，Cr：1.0-1.75%；Mo：0.4-0.65%，同时化学成分满足AC1点不低于720℃的要求；堆焊层（63）在经历650～710℃范围内的任何温度下热处理后的性能不低于两侧母材中性能要求较低一侧母材的标准规定，第一次热处理的温度为695℃±15℃；所述连接焊缝（64）的焊材熔敷金属的化学成分在下述范围内（按质量分数）：C：0.05-0.15%，Mn：1.5-2.0%；Mo：0.5-0.90%；Ni≤1.2%，Cr：0.01-0.5%，同时化学成分满足AC1点不低于680℃的要求；连接焊缝（64）在经历580-670℃范围内的任何温度下热处理后的性能不低于两侧母材中性能要求较低一侧母材的标准规定；第二次热处理采用分段热处理，靠近工件一（61）一端的热处理温度为650-670℃，靠近工件二（62）一端的热处理温度为580-640℃。
2.如权利要求1所述的2.25Cr1Mo0.25V钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头制造方法，其特征是：所述堆焊层（63）所采用的焊材熔敷金属的化学成分在下述范围内（按质量分数）：0.8≤Mn≤1.2%，Cr：1.2-1.75%。
3.如权利要求1所述的2.25Cr1Mo0.25V钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头制造方法，其特征是：所述堆焊层（63）的厚度不小于8mm。
4.如权利要求1所述的2.25Cr1Mo0.25V钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头制造方法，其特征是：第一次热处理采用整体热处理或局部热处理。
5.如权利要求4所述的2.25Cr1Mo0.25V钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头制造方法，其特征是：第一次热处理采用整体热处理，热处理温度为690℃±10℃。
6.如权利要求1～5中任意一项权利要求所述的2.25Cr1Mo0.25V钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头制造方法，其特征是：第二次热处理的具体方式是：包扎工件一（61）侧焊缝：包扎起点位于连接焊缝（64）的中心线到连接焊缝（64）与堆焊层（63）交界线的任意点，包扎终点位于距离堆焊层（63）与工件一（61）交界线不小于100mm的工件一（61）上，加热温度650-670℃；包扎工件二（62）侧焊缝：包扎起点位于连接焊缝（64）中心线到连接焊缝（64）与工件二（62）交界线的任意点，包扎终点位于距离焊缝（64）与工件二（62）交界线不小于100mm的工件二（62）上，热处理温度580-640℃。
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