SUPER304H新型奧氏體耐熱鋼的焊接工藝研究

2007-11-27一、概況2007-11-27二、課題研究必要性2007-11-27SUPER304H鋼是日本在TP304H鋼中添加了3%Cu、0.4%Nb和一定量的N開發出的新型鋼種，該鋼種具有極高的蠕變斷裂強度，在600~650℃下的許用應力比TP304H高30%，而且組織性能和力學性能穩定，是超超臨界鍋爐過熱器、再熱器的首選材料。

SUPER304H鋼的化學成分：2007-11-27三、SUPER304H鋼成份及特點化學元素CMnSiSP百分比Wt%0.07～0.13≤1.00≤0.030≤0.010≤0.040化學元素NiCrCuNbN百分比Wt%7.50～10.5017.0～19.02.5～3.50.3～0.60.05～0.12

SUPER304H鋼的常溫成分：2007-11-27三、SUPER304H鋼成份及特點標準材質屈服強度(MPa)抗拉強度(MPa)縱向延伸率(%)硬度(HB)ASMECODECASE2328SUPER304≥235≥590≥35≤219SUPER304H鋼的化學成分，在鋼中參加適量的銅和鈮，是為了提高其持久強度、持久塑性、韌性和抗腐蝕性；而對高溫抗拉強度有較大影響的氮含量上限控制在0.12%，主要是考慮到運行溫度下長期時效后塑性下降。2007-11-27四、SUPER304H焊接工藝難點分析1，焊縫熱裂紋問題。2007-11-27四、SUPER304H焊接工藝難點分析2，晶間腐蝕問題。這是奧低體不銹鋼最危險的一種破壞形式。但是奧氏體不銹鋼不是任何時候都會產生晶間腐蝕，它與鋼的加熱溫度和加熱時間有關，產生晶間腐蝕的溫度為450~850℃〔敏化溫度〕，尤其以650℃最為危險。2007-11-27五、焊接工藝措施確實定實踐證明，焊縫組織中鐵素體含量在2~3%時，就足以防止產生熱裂紋，但是過多的鐵素體將使焊縫變脆，反而不利，通常鐵素體含量應控制在5%以內。針對SUPER304H焊接工藝難點，參考國內外有關資料，擬采取以下焊接工藝措施以獲得優質焊接接頭。1、采用含有Ti和Nb添加劑的焊材，可有效防止焊接熱裂紋的產生。2007-11-27五、焊接工藝措施確實定焊接工藝：采用含有Ti和Nb添加劑的焊材，在焊接工藝上，采用堿性焊條，小電流、快速焊，收弧時盡量填滿弧坑以及采用氬弧焊等都可以防止熱裂紋的產生。2、防止晶間腐蝕的措施。2007-11-27五、焊接工藝措施確實定2、防止晶間腐蝕的措施。2007-11-27五、焊接工藝措施確實定根本參數母材牌號：SUPER304H；規格：φ48.26×7.9mm；焊接位置：6G；焊接方法：鎢極氬弧焊；焊絲：YT-304H〔φ2.4mm〕；坡口型式：V型；2007-11-27六、工藝方案的制定本卷須知為保證根部質量，防止氧化，氬弧焊打底前先進行管內充氬氣保護；為了防止焊接接頭在敏化溫度范圍內停留時間過長而產生晶間腐蝕，并防止接頭過熱而產生熱裂紋，焊接時要采用小電流、快速焊、短弧多道焊。焊接時盡量不作橫向擺動。嚴格監控焊接過程中的層間溫度，焊接過程中用手提式測溫儀進行溫度監控，確保層間溫度不超過100℃。每層焊后用水快速冷卻。2007-11-27六、工藝方案的制定焊工應具備奧氏體不銹鋼管考試合格工程，并經使用YT-304H焊絲進行焊前練習，已掌握焊材、母材及焊機的性能與焊接工藝標準。焊前用角向磨光機打磨管件坡口附近及其內外壁15～20mm并見金屬光澤，如有油污，可用丙酮或酒精等有機溶劑擦拭，但不要用鋼絲刷或砂布進行清理。焊絲的選擇：奧氏體不銹鋼的焊接，常采用同材質焊接材料，因此，選擇日本日鐵住溶接工業株式會社生產的YT-304H〔φ2.4mm〕焊絲，其化學成分見下表。2007-11-27焊前準備化學元素CMnSiSP百分比Wt%0.113.200.200.0030.004化學元素NiCrCuNbN百分比Wt%15.9818.412.990.660.212007-11-27對口裝配及定位焊為防止根層焊縫金屬氧化，氬弧焊打底和第一層填充時管內均需充氬氣保護，氬氣流量為5~12L/min。施焊過程中氬氣的流量為8~12L/min。氬弧焊時各層的焊接標準參數見表4。表4：焊接標準參數2007-11-27焊接操作工藝焊層焊道焊接方法焊條（絲）電流范圍電壓范圍(V)焊接速度(mm/min)焊層厚度(mm)型(牌)號規格(mm)極性電流(A)1GTAWYT-304HΦ2.4直流正接76~819~1022~293.02GTAWYT-304HΦ2.4直流正接85~879~1025~282.03/1-2GTAWYT-304HΦ2.4直流正接85~939~1028~352.04/1-2GTAWYT-304HΦ2.4直流正接73~779~1022~272.0外觀檢查：外表無缺陷，外觀檢查符合DL/T868標準要求。射線探傷：檢驗標準為DL/T821-2002，未發現缺陷，質量等級為I級片。力學性能檢驗2007-11-27焊后檢驗2007-11-27力學性能取樣部位1，拉伸試樣2、3，側彎試樣4，沖擊試樣5，金相試樣根據GB2651-1989進行拉伸試驗，試驗結果如表5所示：2007-11-27拉伸試驗試樣編號寬度(mm)厚度(mm)斷面積(mm2)負荷值（N）抗拉強度(MPa)斷后斷裂處出現的缺陷斷裂位置種類數量Ws-169-488127.994.8650686.0無0斷母材Ws-169-488-1B127.994.8645680.0無0斷母材根據GB2653-1989進行面彎和背彎試驗，試驗結果如表6所示2007-11-27面彎與背彎試驗試樣編號寬度(mm)厚度(mm)壓頭直徑(mm)彎曲角度（°）缺陷情況結論面彎背彎Ws-169-488207.931.6180裂紋長

合格Ws-169-488-2B207.931.6180未發現缺陷合格Ws-169-488207.931.6180未發現缺陷合格Ws-169-488-3B207.931.6180未發現缺陷合格根據GB/T17394-1998進行布氏硬度〔HBS〕試驗，試驗結果見表72007-11-27硬度試驗試樣編號母材熱影響區焊縫硬度值（HB）結果IIIIIIIVV平均值169-4881-Ws√202195182191184191合格√215188192213196201合格√203209212185222206合格169-4882-Ws√183194188199215196合格√176192196194178187合格格微觀金相結論：最終焊接接頭得到奧氏體+δ鐵素體組織，符合要求。2007-11-27微觀金相檢驗母材圖(奧氏體組織)熔合線(奧氏體+δ鐵素體組織)熱影響區(奧氏體+細小δ鐵素體組織)針對SUPER304H鋼的成份、特點及焊接中需注意的事項，通過制定焊接工藝操作方案，嚴格按要求進行焊接工藝評定，試件的所有試驗結果均符合要求，說明制定的工藝評定參數是合理的，工藝評定獲得圓滿成功。我們認為對于SUPER304H鋼的焊接，關鍵在于操作中特別要注意以下幾項，嚴格按要求進行焊接，就可獲得優質的焊接接頭。1、選擇與母材相配備，并含有一定量的鈮的焊接材料是