CN113399864B

CN113399864B - 用于t91和tp347h异种钢的焊接方法和焊丝

Info

Publication number: CN113399864B
Application number: CN202110894163.9A
Authority: CN
Inventors: 付坤; 胡连海; 齐文浩; 李耀国; 何勇; 田春阳; 郝赫; 刘雄; 苑永攀; 王梦伟; 周书昌; 苏峰; 周天一; 马敬德; 李�杰; 李军刚
Original assignee: Hebei special equipment supervision and inspection institute
Current assignee: Hebei special equipment supervision and inspection institute
Priority date: 2021-08-05
Filing date: 2021-08-05
Publication date: 2022-07-22
Anticipated expiration: 2041-08-05
Also published as: CN113399864A

Abstract

本发明公开了一种用于T91和TP347H异种钢的焊接方法和焊丝，包括：焊丝A和焊丝B，焊丝A的组分为：Ni，Cr，Mn，Mo，Si，C，Cu，W，以上各组分的质量百分比总和为100％；焊丝B的组分为：Ni，Cr，Nb，Fe，Mo，C，Ti，Y，以上各组分的质量百分比总和为100％。所述焊接方法，第一，分别对T91钢和TP347H钢进行坡口设计，加工坡口；第二，焊接前对T91钢一侧进行预热，而TP347H钢一侧不进行预热；第三，使用双丝气体保护焊设备进行焊接，控制层间温度；第四，对焊接接头进行焊后热处理。本发明的优点是：能够方便的调节焊缝金属的成分，焊接效率高，焊接过程稳定，接头应力和变形小，能够有效控制各种裂纹的产生，焊缝成分均匀，满足焊接接头力学性能要求。

Description

用于T91和TP347H异种钢的焊接方法和焊丝

技术领域

本发明涉及异种材料焊接技术领域，特别涉及一种用于T91和TP347H异种钢的焊接方法和焊丝。

背景技术

超临界等火电机组中现在广泛应用经过改良后的9％～12％Cr型铁素体钢，T91耐热钢作为9％～12％Cr铁素体耐热钢的典型钢种，T91钢具有较高的热强性，良好的抗蠕变性能，优良的抗腐蚀性能和抗氧化性能，其综合性能优越，被广泛的应用于锅炉和管道系统等高温环境下的部件。在实际应用过程中，不可避免的涉及到异种钢之间的焊接，在锅炉设备中存在大量的T91钢与TP347H钢进异种金属连接，TP347H钢是一种奥氏体钢，具有良好的抗高温氧化性能和耐腐蚀性能，将T91和TP347H实现连接，获得综合性能优异的焊接接头具有重要的价值。目前，实现T91和TP347H的良好焊接存在着诸多难题，TP347H钢的线膨胀系数远大于T91钢，其焊接时会产生较大的热应力和变形，TP347H钢在焊接过程中易因有害杂质发生偏析而产生热裂纹，TP347H容易发生晶间腐蚀，T91钢在焊接时会在热影响区产生淬硬组织，并且由于氢的作用很容易在淬硬区产生冷裂纹，且在热影响区处由于组织不同，焊接接头是一个力学性能不均匀体，存在着很大的内应力，因此，需要严格要求焊接工艺和焊接材料，在焊接结束之后需要通过焊后热处理的方式改善焊接接头的性能，回火温度为760℃时最为合适，而TP347H钢的敏化温度区间在450℃～850℃，因此如何使T91钢的一侧在回火温度为760℃的同时保证TP347H的一侧低于敏化温度尤为重要。

因此，为了综合解决以上问题，主要从两方面入手，第一，开发更好的匹配焊接材料，并且调控合适的焊接工艺，第二，采用合适的焊后热处理工艺，降低焊接接头的内应力，改善焊接接头的组织，并且避免TP347H钢一侧产生晶间腐蚀。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种用于T91和TP347H异种钢的焊接方法和焊丝。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种用于T91和TP347H异种钢焊接的一组焊丝，包括两种焊丝，分别为焊丝A和焊丝B；

焊丝A的组分及质量百分比为：70％≤Ni≤80％，15％≤Cr≤22％，1.3％≤Mn≤5％，1.2％≤Mo≤5％，0.1％≤Si≤0.25％，0.01％≤C≤0.03％，0.01％≤Cu≤0.05％，0.01％≤W≤0.04％，以上各组分的质量百分比总和为100％；

焊丝B的组分及质量百分比为：55％≤Ni≤65％，24％≤Cr≤28％，6.2％≤Nb≤10％，3.3％≤Fe≤7％，0.15％≤Mo≤1％，0.005％≤C≤0.02％，0.1％≤Ti≤0.2％，0.005％≤Y≤0.02％，以上各组分的质量百分比总和为100％。

作为优选，所述焊丝A为实心焊丝和药芯焊丝中的其中一种，所述焊丝B为实心焊丝和药芯焊丝中的其中一种，便于实现焊丝成分的调配。

本发明还公开了一种使用上述焊丝的异种钢焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、分别对T91钢和TP347H钢进行坡口设计，加工坡口，清理坡口处的油污和杂质；

步骤2、焊接前对T91钢一侧进行预热，而TP347H钢一侧不进行预热；

步骤3、设定双丝焊接工艺参数，通入焊接保护气体，引导焊丝采用所述的焊丝A或者焊丝B中的一种，跟随焊丝采用所述的焊丝A和焊丝B中的另外一种，启动双丝气体保护焊设备进行焊接，焊接过程中控制层间温度，焊接过程中及其焊接结束后对T91钢一侧进行缓冷处理；

步骤4、设定焊后热处理参数，对焊接接头进行焊后热处理。

进一步地，步骤2中，焊接前对T91钢进行预热，预热温度为150℃～250℃，预热宽度不小于100mm；

进一步地，步骤3中，焊接过程中控制层间温度，层间温度为100～150℃，焊接结束后降温速度不大于150℃/h。

进一步地，步骤4中，对焊接接头进行焊后热处理，焊后热处理使用局部热处理的方法，仅对T91钢一侧进行热处理，加热温度为700～780℃，恒温时间为1-4h，降温速度不大于150℃/h，热处理过程中要控制TP347H钢一侧的温度，不超过TP347H钢的敏化温度450℃。

进一步地，步骤1中所述加工坡口形式为V型坡口，T91钢的坡口角度为15°-45°，TP347H钢的坡口角度为20°-55°，钝边高度为0.5～2mm，根部间隙为0.5～2.5mm，通过调控V型坡口的角度调控两种母材的熔化量和两侧钢热影响区的热输入，从而调控焊缝和热影响区的组织和性能。

进一步地，所述焊接保护气体为He和Ar中的一种或两种，一方面，焊接保护气体作为产生电弧的介质，维持电弧稳定燃烧，使焊接过程顺利进行，另一方面，焊接保护气体保护熔滴和熔池，避免焊接区金属被氧化和氮化，保证焊缝合金的质量。

进一步地，所述双丝焊接工艺采用直流反接或直流正接，引导焊丝和跟随焊丝间的脉冲电流相位相差180°，焊丝间协同控制，电弧交替燃烧，能够克服电弧间的电磁干扰作用，焊接速度快，焊接效率高，热输入低，热影响区小，在高速焊接条件下能实现稳定的焊接过程。

进一步地，所述焊接工艺参数为：焊丝直径为1.0～1.6mm，基值电流为40～160A，峰值电流为200～600A，脉冲宽度比为10％～40％，脉冲频率为10～400Hz，送丝速度为4～15m/min，焊接速度为0.7～2.4m/min，每路气体流量为15～35L/min，采用双丝熔化极气体保护焊焊接工艺，通过调节焊接工艺参数，调节两根焊丝及母材的熔化量，进而调节焊缝金属的成分及组织，改善焊接接头的组织和性能。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

能够方便的调节焊缝金属的成分，形成优良的组织结构，焊接效率高，焊接过程稳定，飞溅少，焊接接头应力和变形小，热影响区小，能够有效控制各种裂纹的产生，焊缝化学成分均匀，能够实现焊缝和热影响区的强韧性的综合匹配，满足焊接接头力学性能要求。

附图说明

图1为本发明实施例T91和TP347H异种钢双丝熔化极气体保护焊焊接方法流程图。

图2为本发明实施例的V型坡口图，其中，1-T91钢母材，2-TP347H钢母材，3-T91钢侧坡口角度，4-TP347H钢侧坡口角度，5-根部间隙，6-钝边高度。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

实施例1至5如下：

1、焊丝种类、元素组成及含量的确定。

本发明提出的一套用于T91和TP347H异种钢焊接的双丝气体保护焊焊丝，其特征在于，包括两种焊丝，分别为焊丝A和焊丝B，焊丝A的组分及质量百分比为：70％≤Ni≤80％，15％≤Cr≤22％，1.3％≤Mn≤5％，1.2％≤Mo≤5％，0.1％≤Si≤0.25％，0.01％≤C≤0.03％，0.01％≤Cu≤0.05％，0.01％≤W≤0.04％，以上各组分的质量百分比总和为100％，焊丝B的组分及质量百分比为：55％≤Ni≤65％，24％≤Cr≤28％，6.2％≤Nb≤10％，3.3％≤Fe≤7％，0.15％≤Mo≤1％，0.005％≤C≤0.02％，0.1％≤Ti≤0.2％，0.005％≤Y≤0.02％，以上各组分的质量百分比总和为100％。

T91和TP347H异种钢焊接的双丝气体保护焊焊丝成分作用如下：

Ni主要作用可以使焊接接头形成面心立方结构，焊接时焊丝与母材熔化混合，镍可以促使晶格从BCC结构转变为FCC结构，因此可以增强焊接接头的塑性和韧性，且Ni还具有良好的耐蚀性和和强度，可以增强焊接接头的性能；Cr、Mo元素的添加起到了固溶强化的作用，增强了焊接接头的热强性，提高了高温时焊接接头的性能；而Nb可以与焊缝中熔化的母材中的碳结合形成碳化物，均匀的分布在焊缝中，提高了焊缝的热强性，并且焊缝处的抗晶间腐蚀的能力也会增强；少量铜的添加可以改善焊接接头区域的抗氧化能力和耐蚀性；Mn也是奥氏体形成元素的一种，它的主要作用有以下两点，一方面，Mn可以促进氮融入焊缝中，而氮可以促进奥氏体的形成，另一方面，在冷却过程中Mn可以抑制奥氏体的分解；W可以形成碳化物，具有析出强化的作用；C主要与Nb、Mo、Cr、Ti等形成碳化物，是最重要的晶界和枝间强化元素；Si和Y可以起到洁净焊缝的作用。

各实施例所述的焊丝种类、元素组成及含量见表1。

表1各实施例所述焊丝种类、元素组成及含量

2、T91钢和TP347H钢异种钢焊接气体保护焊焊接方法

如图1所示，本发明实施例提供的用于T91钢和TP347H钢焊接的双丝气体保护焊焊接方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、分别对T91钢和TP347H钢进行坡口设计，如图2所示，坡口形式为V型坡口，其中，1-T91钢母材，2-TP347H钢母材，3-T91钢侧坡口角度，4-TP347H钢侧坡口角度，5-根部间隙，6-钝边高度。各实施例所述坡口尺寸见表2，加工坡口，清理坡口处的油污和杂质；

步骤2、焊接前对T91钢一侧进行预热，各实施例所述焊前预热温度及预热宽度参数见表3，而TP347H钢一侧不进行预热；

步骤3、设定双丝焊接工艺参数，各实施例所述焊接工艺参数见表4，通入焊接保护气体，引导焊丝采用所述的焊丝A或者焊丝B中的一种，跟随焊丝采用所述的焊丝A和焊丝B中的另外一种，启动双丝气体保护焊设备进行焊接，焊接过程中控制层间温度，焊接过程中及其焊接结束后对T91钢一侧进行缓冷处理，各实施例所述层间温度及降温速度参数见表3；

步骤4、设定焊后热处理参数，仅对P91钢一侧热影响区进行加热，各实施例所述焊后热处理参数见表3，对TP347H钢一侧采用控温处理，使其温度在450°以下。

步骤1中，清理坡口处的油污和杂质，避免污染焊缝，提高焊缝的纯净度，避免焊接过程中焊缝热裂纹的形成。

步骤2中，焊接前对T91钢进行预热，预热温度为150℃～250℃，预热宽度不小于100mm，合适的预热温度和预热范围能够降低焊接冷却速度，改善热影响区的组织和性能，避免淬硬组织和的形成，降低焊接应力，从而有效地防止冷裂纹的产生。TP347H钢一侧不加热，是为了避免温度升到TP347H钢的敏化温度，发生晶间腐蚀。

步骤3中，焊接过程中控制层间温度，层间温度为100～150℃，可以有效的防止晶粒粗大和冷裂纹的产生。焊接结束后降温速度不大于150℃/h，从而降低马氏体转变带来的相变应力，进而降低焊接应力，改善热影响区的组织和性能，有效地防止冷裂纹的产生。

步骤4中，对焊接接头进行焊后热处理，焊后热处理使用局部热处理的方法，仅对T91钢一侧进行热处理，加热温度为700～780℃，恒温时间为1-4h，降温速度不大于150℃/h，因为焊接采用双丝焊，焊接接头成形性好，内应力小，热影响区小，可以比单丝焊的热处理时间有所降低，热处理过程中要控制TP347H钢一侧的温度，不超过TP347钢的敏化温度450℃，从而有效避免晶间腐蚀的发生。

表2各实施例所述坡口尺寸

实施例	T91钢侧坡口角度/°	TP347H钢侧坡口角度/°	根部间隙/mm	钝边高度/mm
					1	15	20	0.5	0.5
2	25	30	2	2
					3	35	35	1.5	1
4	40	45	1	1.5
					5	45	55	2.5	1

表3各实施例所述焊前预热、层间温度、降温速度及其焊后热处理参数

表4各实施例所述焊接工艺参数

各实施例方便的实现了焊缝金属的成分调节，形成了优良的组织，焊接效率高，焊接过程稳定，飞溅少，获得的焊接接头应力和变形小，没有裂纹，焊缝内部质量高，焊缝化学成分均匀，热影响区小，拉伸断裂于母材，焊接接头冲击韧性大于140J，焊接接头的各项力学性能满足技术要求。

所述双丝气体保护焊焊丝及焊接方法的特点为：

第一，焊缝成分和组织调节方便。双丝焊具有双电源和双送丝系统，可以通过分别调节两根焊丝的送丝速度、焊丝成分、焊丝直径等来调控焊缝的成分和组织；

第二，焊接效率高，焊缝成形好。双丝焊由两个焊丝一起填充，同时，通过两根焊丝的协同控制，使得焊接速度较快，焊丝填充率大，焊缝成形良好；

第三，焊件变形和内应力较小。焊接速度快，热输入低，热影响区窄，产生较小的热胀冷缩效应，使得焊接接头残余应力和变形小；

第四，焊接接头韧性强度高。双丝焊焊接速度较快，焊接热输入低，焊缝及热影响区晶粒较小，因此，焊接接头强度较高；

第五，焊后热处理可以避免产生冷裂纹，还可以消除残余应力，改善焊接接头性能。通过焊后热处理，可以改善焊接接头的组织，减小应力，从而避免裂纹的产生，提高焊接接头的强度和韧性。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种用于T91和TP347H异种钢焊接的一组焊丝，其特征在于：所述一组焊丝包括两种焊丝，分别为焊丝A和焊丝B；

2.根据权利要求1所述的一组焊丝，其特征在于：所述焊丝A为实心焊丝和药芯焊丝中的其中一种，所述焊丝B为实心焊丝和药芯焊丝中的其中一种。

3.一种使用权利要求1或2所述焊丝的异种钢焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤3、设定双丝焊接工艺参数，通入焊接保护气体，引导焊丝采用所述的焊丝A和焊丝B中的一种，跟随焊丝采用所述的焊丝A和焊丝B中的另外一种，启动双丝气体保护焊设备进行焊接，焊接过程中控制层间温度，焊接过程中及其焊接结束后对T91钢一侧进行缓冷处理；

步骤4、设定焊后热处理参数，对焊接接头进行焊后热处理。

4.根据权利要求3所述的焊接方法，其特征在于：步骤1中所述加工坡口形式为V型坡口，T91钢的坡口角度为15°-45°，TP347H钢的坡口角度为20°-55°，钝边高度为0.5～2mm，根部间隙为0.5～2.5mm。

5.根据权利要求3所述的焊接方法，其特征在于：步骤2中，焊接前对T91钢进行预热，预热温度为150℃～250℃，预热宽度不小于100mm。

6.根据权利要求3所述的焊接方法，其特征在于：步骤3中，焊接过程中控制层间温度，层间温度为100～150℃，焊接结束后降温速度不大于150℃/h。

7.根据权利要求3所述的焊接方法，其特征在于：步骤4中，对焊接接头进行焊后热处理，焊后热处理使用局部热处理的方法，仅对T91钢一侧进行热处理，加热温度为700～780℃，恒温时间为1-4h，降温速度不大于150℃/h，热处理过程中要控制TP347H钢一侧的温度，不超过TP347H钢的敏化温度450℃。

8.根据权利要求3所述的焊接方法，其特征在于：所述焊接保护气体为He和Ar中的一种或两种。

9.根据权利要求3所述的焊接方法，其特征在于：所述双丝焊接工艺采用直流反接或直流正接，引导焊丝和跟随焊丝间的脉冲电流相位相差180°。

10.根据权利要求3所述的焊接方法，其特征在于：所述焊接工艺参数为：焊丝直径为1.0～1.6mm，基值电流为40～160A，峰值电流为200～600A，脉冲宽度比为10％～40％，脉冲频率为10～400Hz，送丝速度为4～15m/min，焊接速度为0.7～2.4m/min，每路气体流量为15～35L/min。