CN112676737A

CN112676737A - 9Cr1MoV钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头制造方法

Info

Publication number: CN112676737A
Application number: CN202110030358.9A
Authority: CN
Inventors: 银润邦; 郑周; 奚旭; 曾会强; 莫其鹏; 张永光; 曾平
Original assignee: Dongfang Boiler Group Co Ltd
Current assignee: Dongfang Boiler Group Co Ltd
Priority date: 2021-01-11
Filing date: 2021-01-11
Publication date: 2021-04-20
Anticipated expiration: 2041-01-11
Also published as: CN112676737B

Abstract

本发明涉及异种钢接头的热处理，公开了一种9Cr1MoV钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头制造方法，在9Cr1MoV工件的端面上堆焊厚度不小于3mm的非奥氏体耐热钢堆焊层，堆焊层的化学成分满足以下要求（按质量分数），Cr：0.8‑2.6%；Mo:0.4‑1.2%；对堆焊层进行热处理；在堆焊层上堆焊厚度不小于3mm的非奥氏体耐热钢二次堆焊层，二次堆焊层的化学成分满足以下要求（按质量分数），Cr：0.8‑2.0%；Mo:0.3‑1.1%；对二次堆焊层进行热处理；二次堆焊层与碳锰低合金钢工件焊接，形成连接焊缝，连接焊缝为碳锰低合金钢；对连接焊缝进行热处理。通过合理选择堆焊层成分，并运用适应于两层堆焊层与连接焊缝材质的热处理温度的梯级过渡，实现该异种钢的焊接及热处理，避免使用镍基堆焊，合格率高成本降低。

Description

9Cr1MoV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，随着电站辅机参数的提高，辅机材料等级也在不断提高。高温加热器、蒸汽冷却器等部分换热器产品由于蒸汽进口侧温度达到550℃以上，在高温段需要用到9Cr1MoV的材料，该材料需要与碳锰低合金钢的筒节或管板对接，由于该两种材料的焊后热处理温度差异很大，直接对接后无法进行热处理，目前的焊接方式是先分别堆焊镍基材料，并各自热处理后再采用镍基焊材焊接起来。以火电站辅机蒸汽冷却器为例，其筒节为SA-336F91材料（属于9Cr1MoV的一种），需与20MnMoNb材料（属于碳锰低合金钢的一种）的管板进行对接，对于SA-336F91焊后热处理温度，根据ASME标准规定，当采用Cr含量小于3%的焊材焊接时，热处理温度可以降低到不小于705℃，也就是最低不小于705℃，考虑到炉温波动，需要规定热处理温度为720±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，因此两种材料没有热处理交集，且热处理温度差异显著，直接对接后无法进行焊后热处理。

目前该类接头国内一般采用如图1所示接头模式进行制造：（1）在9Cr1MoV工件（31）的端面堆焊镍基堆焊层（33），并按760±15℃进行热处理；（2）在碳锰低合金钢工件（32）端面堆焊镍基堆焊层（34），并按620±15℃进行热处理；（3）将两镍基堆焊层（33、34）采用镍基焊材焊接起来形成对接焊缝（35），不再进行热处理。

该方案存在的问题如下：（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。

发明内容

为克服堆焊镍基材料制作类似异种钢接头成本高、合格率低的不足，本发明提出了一种9Cr1MoV钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头制造方法，在不堆焊镍基材料的条件下，实现异种钢的焊接及热处理，以提高焊缝合格率和降低成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：9Cr1MoV钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头制造方法，用于9Cr1MoV工件和碳锰低合金钢工件的连接， 9Cr1MoV工件的化学成分满足以下要求（按质量分数），Cr：8-11.5%；Mo：0.25-1.1%；V:0.15-0.3%；碳锰低合金钢工件的化学成分满足以下要求（按质量分数），C≤0.35%；Si：0.10-0.50%；Mn：≤2%，依次包括以下步骤：

在9Cr1MoV工件的端面上堆焊厚度不小于3mm的非奥氏体耐热钢堆焊层，堆焊层的化学成分满足以下要求（按质量分数），Cr：0.8-2.6%；Mo:0.4-1.2%；

对堆焊层进行热处理；

在堆焊层上堆焊厚度不小于3mm的非奥氏体耐热钢二次堆焊层，二次堆焊层的化学成分满足以下要求（按质量分数），Cr：0.8-2.0%；Mo:0.3-1.1%；

对二次堆焊层进行热处理；

二次堆焊层与碳锰低合金钢工件焊接，形成连接焊缝，连接焊缝为碳锰低合金钢；

对连接焊缝进行热处理。

堆焊层的焊材采用1.25Cr0.5Mo0.25V型焊材，焊材熔敷金属的化学成分满足以下要求（按质量分数），C:0.05-0.12%；Si≤0.6%；Mn≤0.9%；Cr：0.8-1.5%；Mo：0.4-0.7%；V:0.1-0.35%。

堆焊层的焊材采用2.25Cr1Mo型焊材，焊材熔敷金属的化学成分满足以下要求（按质量分数），C:0.05-0.15%；Si≤0.6%；Mn≤1.3%；Cr：2-2.6%；Mo：0.9-1.2%。

堆焊层的焊材采用2.25Cr1Mo 0.3V型焊材，焊材熔敷金属的化学成分满足以下要求（按质量分数），C:0.05-0.15%；Si≤0.6%；0.5≤Mn≤1.3%；Cr：2-2.6%；Mo：0.9-1.2%；V:0.2-0.4%。

堆焊层的化学成分还须满足AC1的计算值不小于750℃，按AC1=723-10.7Mn-16.9Ni+29Si+16.9Cr+290As+6.38W。

二次堆焊层焊材熔敷金属的化学成分满足以下要求（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%，且成分满足AC1的计算值不小于720℃，按AC1=723-10.7Mn-16.9Ni+29Si+16.9Cr+290As+6.38W。

堆焊层采用整体热处理，热处理温度为720℃±15℃。

二次堆焊层采用整体热处理，热处理温度为695℃±15℃。

连接焊缝焊材熔敷金属的化学成分满足以下要求（按质量分数），C：0.05-0.15%；Mn：0.5-2.0%。

进一步的，连接焊缝焊材熔敷金属的化学成分满足以下要求（按质量分数），C：0.05-0.15%；Mn：1.5-2.0%；Mo:0.5-0.90%；Ni≤1.2%。

连接焊缝采用局部热处理，并分段控温：焊缝中心线向9Cr1MoV工件一侧的热处理温度控制在650-670℃，焊缝中心线向碳锰低合金钢工件一侧的温度控制在580-640℃。

本发明的有益效果是：通过在9Cr1MoV 钢一侧端面堆焊与9Cr1MoV材料有热处理交集的非奥氏体耐热钢堆焊层，并在705℃以上温度下进行热处理，之后再在该堆焊层上堆焊特定的非奥氏体耐热钢二次堆焊层，再次进行相应的焊后热处理，之后再将该二次堆焊层与碳锰低合金钢相焊接，最终进行热处理解决该类异种钢接头无法热处理的问题，并降低成本和质量风险。

附图说明

图1是现有技术中SA-336F91钢与20MnMoNb钢对接接头的结构示意图。

图2是本发明的异种钢接头结构的示意图。

图3是本发明实施例的异种钢接头结构的示意图。

图中标记为：31-9Cr1MoV工件，32-碳锰低合金钢工件，33-镍基堆焊层，34-镍基堆焊层，35-对接焊缝，61-9Cr1MoV工件，62-碳锰低合金钢工件，63-堆焊层，64-二次堆焊层，65-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2所示，本发明的9Cr1MoV钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头制造方法，用于9Cr1MoV工件61和碳锰低合金钢工件62的连接，其中，9Cr1MoV工件61的化学成分满足以下要求按质量分数，Cr：8-11.5%；Mo：0.25-1.1%；V:0.15-0.3%；碳锰低合金钢工件62的化学成分满足以下要求按质量分数，C≤0.35%；Si：0.10-0.50%；Mn：≤2%，依次包括以下步骤：

在9Cr1MoV工件61的端面上堆焊厚度不小于3mm的非奥氏体耐热钢堆焊层63，堆焊层63的化学成分满足以下要求按质量分数，Cr：0.8-2.6%；Mo:0.4-1.2%；该成分的设计是为了使其热处理温度既能满足9Cr1MoV钢的最小热处理温度要求，又能与二次堆焊层64有热处理温度交集，使接头热处理温度逐渐向连接焊缝65过渡，同时使焊接接头能够应用于高温运行条件，避免碳迁移引起的软化带，而且也更容易保证接头强度值。；

对堆焊层63进行热处理；

在堆焊层63上堆焊厚度不小于3mm的非奥氏体耐热钢二次堆焊层64，二次堆焊层64的化学成分满足以下要求按质量分数，Cr：0.8-2.0%；Mo:0.3-1.1%；该成分的设计是为了使其热处理温度既能满足堆焊层63的最低热处理温度要求，也能与连接焊缝65有热处理交集，使接头热处理温度逐渐向碳锰低合金钢工件62过渡。同时，也使其焊接接头能够应用于高温运行条件，避免碳迁移引起的软化带，而且也更容易保证接头强度值，避免在热处理时或高温运行时因为珠光体球化而带来的二次堆焊层64高温持久强度和蠕变强度降低的风险，提高接头使用寿命和可靠性；

对二次堆焊层64进行热处理；

二次堆焊层64与碳锰低合金钢工件62焊接，形成连接焊缝65，连接焊缝65为碳锰低合金钢；

对连接焊缝65进行热处理。

通过合理选择堆焊层成分，并运用适应于两层堆焊层与连接焊缝材质的热处理温度的梯级过渡，实现了9Cr1MoV钢+碳锰低合金钢的异种钢接头的焊后热处理，有效保证了焊接合格率，并避免使用镍基堆焊材料，降低了成本和加工难度。

显然，最好在堆焊层无损探伤合格后进行二次堆焊层的堆焊，同样的，也需要在二次堆焊层无损探伤合格后，再进行连接焊缝的焊接，。否则，若堆焊层和二次堆焊层与连接焊缝一起进行无损探伤，若发现堆焊层和（或）二次堆焊层中存在缺陷，则返修后无法进行热处理。基于该原因，堆焊层的无损探伤检测至少选择以下三种方式中的一种：射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤，也不排除其余无损检测方法。各堆焊层无损探伤检测项目及要求与产品对连接焊缝的探伤要求一致。

进一步的，考虑到二次堆焊层64和连接焊缝65焊接时产生的热影响区宽度可能会达到6mm，为了避免二次堆焊层64焊接时的热影响区影响到对9Cr1MoV工件61的性能，以及连接焊缝65焊接时的热影响区影响到堆焊层62的性能，堆焊层63、二次堆焊层64的厚度最好均不小于8mm。

经试验，1.25Cr0.5Mo0.25V型焊材及2.25Cr1Mo型焊材在720℃下热处理后的抗拉强度在550MPa以上（通常是550-580MPa），因此，当本说明书所述异种钢接头中的碳锰低合金钢的标准规定最小抗拉强度不大于550MPa时，可选用该类型焊材；当异种钢接头中的碳锰低合金钢的标准规定最小抗拉强度大于550MPa时，若选用1.25Cr0.5Mo0.25V或2.25Cr1Mo型焊材可能存在强度值达不到要求的风险，在这种情况下优选2.25Cr1Mo0.3V型焊材。

堆焊层63的焊材采用1.25Cr0.5Mo0.25V型焊材时，焊材熔敷金属的化学成分满足以下要求（按质量分数），C:0.05-0.12%；Si≤0.6%；Mn≤0.9%；Cr：0.8-1.5%；Mo：0.4-0.7%；V:0.1-0.35%。

堆焊层63的焊材采用2.25Cr1Mo型焊材时，焊材熔敷金属的化学成分满足以下要求（按质量分数），C:0.05-0.15%；Si≤0.6%；Mn≤1.3%；Cr：2-2.6%；Mo：0.9-1.2%。

堆焊层63的焊材采用2.25Cr1Mo 0.3V型焊材时，焊材熔敷金属的化学成分满足以下要求（按质量分数），C:0.05-0.15%；Si≤0.6%；0.5≤Mn≤1.3%；Cr：2-2.6%；Mo：0.9-1.2%；V:0.2-0.4%。

经试验，二次堆焊层64焊材熔敷金属的化学成分满足以下要求（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%。

在热处理方式选择时，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，为了保证堆焊层63对9Cr1MoV工件61形成的热影响区的性能，避免冲击功降低，硬度升高，同时兼顾堆焊层63的性能和标准要求，规定热处理温度为720℃±15℃，二次堆焊层64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，为保证热处理后二次堆焊层64的强度不低于接头要求的强度，同时保证二次堆焊层64在堆焊层63上形成的热影响区的冲击功和硬度满足接头性能要求，规定热处理温度为695℃±15℃。

连接焊缝65的焊接材料采用C-Mn型焊材，焊接材料熔敷金属化学成分满足以下要求（按质量分数）：C：0.05-0.15%；Mn：0.5-2.0%，进一步的，为保证连接焊缝65的强度和冲击功，当碳锰低合金钢的强度大于550MPa时，焊材采用较高C、Mn元素，并含有一定量的Ni元素，优选此时焊接材料熔敷金属化学成分满足以下要求（按质量分数），C：0.05-0.15%；Mn：1.5-2.0%；Mo:0.5-0.90%；0＜Ni≤1.2%。

连接焊缝65的热处理采用局部热处理，为保证连接焊缝65焊接时在二次堆焊层64上形成的热影响区的冲击功满足要求，同时避免碳锰低合金钢工件62热处理温度过高引起性能劣化，宜采用分段控温方式：焊缝中心线向9Cr1MoV工件61一侧的热处理温度控制在650-670℃，焊缝中心线向碳锰低合金钢工件62一侧的温度控制在580-640℃。

实施例1：

如图2和图3所示，某高温加热器的筒体结构中，存在9Cr1MoVR的F91筒节与碳锰低合金钢SA-516GR70的筒节的对接，F91的抗拉强度大于620MPa，自身焊接的热处理温度大于730℃；SA-515GR70筒节的抗拉强度大于485MPa，热处理温度不超过640℃。为了解决两种材质筒节对接焊接后无热处理交集的问题，在F91的筒节端面堆焊1.25Cr0.5Mo0.25V型焊材，探伤合格后进行720℃±10℃的热处理，之后再在1.25Cr0.5Mo0.25V上堆焊1.25Cr0.5Mo的二次堆焊层，探伤合格后进行690℃±10℃的热处理。接下来与SA-515GR70筒节对接，连接焊缝的焊材采用C-Mn型焊材，焊接完成后进行分段热处理，F91一侧采用660℃±10℃热处理，SA-516GR70一侧采用620℃±10℃热处理。通过四个梯级热处理温度的过渡，达到了降低焊接难度和成本，提高焊接合格率的目的。采用上述方式制作的合格焊接接头，能够在高温下长期运行。

实施例2：

如图2和图3所示，某蒸汽冷却器的筒体结构中，存在9Cr1MoVR的F91筒节与碳锰低合金钢20MnMoNb的管板的对接，F91的抗拉强度大于620MPa，自身焊接的热处理温度大于730℃；20MnMoNb管板的抗拉强度大于610MPa，热处理温度不超过640℃，因此接头的室温抗拉强度至少不小于610MPa。为了解决两种材质筒节对接焊接后无热处理交集的问题，在F91的筒节端面堆焊2.25Cr1Mo0.3V型焊材，探伤合格后进行720℃±15℃的热处理，之后再在2.25Cr1Mo0.3V的堆焊层上堆焊1.25Cr0.5Mo的二次堆焊层，探伤合格后进行695℃±15℃的热处理。接下来与20MnMoNb管板对接，连接焊缝的焊材采用C-Mn型焊材，焊接完成后进行分段热处理，F91一侧采用660℃±10℃热处理，20MnMoNb管板一侧采用620℃±10℃热处理。通过四个梯级热处理温度的过渡，达到了降低焊接难度和成本，提高焊接合格率的目的。采用上述方式制作的合格焊接接头，能够在高温下长期运行。

Claims

1.9Cr1MoV钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头制造方法，用于9Cr1MoV工件（61）和碳锰低合金钢工件（62）的连接，其特征是：9Cr1MoV工件（61）的化学成分满足以下要求（按质量分数），Cr：8-11.5%；Mo：0.25-1.1%；V:0.15-0.3%；碳锰低合金钢工件（62）的化学成分满足以下要求（按质量分数），C≤0.35%；Si：0.10-0.50%；Mn：≤2%，依次包括以下步骤：

在9Cr1MoV工件（61）的端面上堆焊厚度不小于3mm的非奥氏体耐热钢堆焊层（63），堆焊层（63）的化学成分满足以下要求（按质量分数），Cr：0.8-2.6%；Mo:0.4-1.2%；

对堆焊层（63）进行热处理；

在堆焊层（63）上堆焊厚度不小于3mm的非奥氏体耐热钢二次堆焊层（64），二次堆焊层（64）的化学成分满足以下要求（按质量分数），Cr：0.8-2.0%；Mo:0.3-1.1%；

对二次堆焊层（64）进行热处理；

二次堆焊层（64）与碳锰低合金钢工件（62）焊接，形成连接焊缝（65），连接焊缝（65）为碳锰低合金钢；

对连接焊缝（65）进行热处理。

2.如权利要求1所述的9Cr1MoV钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头制造方法，其特征是：堆焊层（63）的焊材采用1.25Cr0.5Mo0.25V型焊材，焊材熔敷金属的化学成分满足以下要求（按质量分数），C:0.05-0.12%；Si≤0.6%；Mn≤0.9%；Cr：0.8-1.5%；Mo：0.4-0.7%；V:0.1-0.35%。

3.如权利要求1所述的9Cr1MoV钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头制造方法，其特征是：堆焊层（63）的焊材采用2.25Cr1Mo型焊材，焊材熔敷金属的化学成分满足以下要求（按质量分数），C:0.05-0.15%；Si≤0.6%；Mn≤1.3%；Cr：2-2.6%；Mo：0.9-1.2%。

4.如权利要求1所述的9Cr1MoV钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头制造方法，其特征是：堆焊层（63）的焊材采用2.25Cr1Mo 0.3V型焊材，焊材熔敷金属的化学成分满足以下要求（按质量分数），C:0.05-0.15%；Si≤0.6%；0.5≤Mn≤1.3%；Cr：2-2.6%；Mo：0.9-1.2%；V:0.2-0.4%。

5.如权利要求2、3或4所述的9Cr1MoV钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头制造方法，其特征是：堆焊层（63）的化学成分还须满足AC1的计算值不小于750℃，按AC1=723-10.7Mn-16.9Ni+29Si+16.9Cr+290As+6.38W。

6.如权利要求1所述的9Cr1MoV钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头制造方法，其特征是：二次堆焊层（64）焊材熔敷金属的化学成分满足以下要求（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%，且成分满足AC1的计算值不小于720℃，按AC1=723-10.7Mn-16.9Ni+29Si+16.9Cr+290As+6.38W。

7.如权利要求1所述的9Cr1MoV钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头制造方法，其特征是：堆焊层（63）采用整体热处理，热处理温度为720℃±15℃。

8.如权利要求1所述的9Cr1MoV钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头制造方法，其特征是：二次堆焊层（64）采用整体热处理，热处理温度为695℃±15℃。

9.如权利要求1所述的9Cr1MoV钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头制造方法，其特征是：连接焊缝（65）焊材熔敷金属的化学成分满足以下要求（按质量分数），C：0.05-0.15%；Mn：0.5-2.0%。

10.如权利要求9所述的9Cr1MoV钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头制造方法，其特征是：连接焊缝（65）焊材熔敷金属的化学成分满足以下要求（按质量分数），C：0.05-0.15%；Mn：1.5-2.0%；Mo:0.5-0.90%；0＜Ni≤1.2%。

11.如权利要求9或10所述的9Cr1MoV钢+碳锰低合金钢的异种钢焊接接头制造方法，其特征是：连接焊缝（65）采用局部热处理，并分段控温：焊缝中心线向9Cr1MoV工件（61）一侧的热处理温度控制在650-670℃，焊缝中心线向碳锰低合金钢工件（62）一侧的温度控制在580-640℃。