12Cr2Mo1和S30408異種鋼焊接工藝

2021-03-01 焊割在線
  摘要   異種鋼由於在物理和化學性能方面差異較大，存在著焊縫的稀釋、碳遷移和焊接應力的問題，本文針對12Cr2Mo1和S30408異種鋼焊接工藝進行研究，在12Cr2Mo1側先堆焊鎳基焊材，然後採用熔合比小的氬弧焊打底，焊條電弧焊蓋面，選用鎳基焊絲SNi6082和焊條ENi6182，採用合理的坡口形式和焊接工藝參數，控制層間溫度，焊後進行消除應力熱處理，並進行了外觀檢查、無損檢測、力學性能試驗，焊接接頭滿足標準規定。

近年來異種鋼焊接應用十分廣泛，在航空航天、石油化工、機械行業等行業應用越來越多[1]。但由於異種鋼在化學成分、冶金相容性、物理性能和化學性能等方面存在較大差異，在焊接過程中會出現合金元素的遷移、化學成分、金相組織的不均勻，還會產生熱應力、焊接變形，出現焊接裂紋等，降低焊接接頭的力學性能[2]。

本文針對12Cr2Mo1鉻鉬鋼和S30408不鏽鋼的異種鋼焊接接頭，進行焊接性分析，選擇合適的焊接方法、焊接材料和焊接工藝參數，並進行焊後熱處理，根據NB/T47014《承壓設備焊接工藝評定》進行焊接工藝評定，分析異種鋼焊接接頭的力學性能，制定焊接作業指導書，用於指導實際生產。

12Cr2Mo1為低合金耐熱鋼，具有良好的耐高溫和抗氫性能，主要用於製造加氫裝置的反應器和熱交換器等設備中，12Cr2Mo1的鉻和鉬能顯著提高鋼的淬硬性，在一定的冷卻速度下，焊縫金屬和熱影響區內可能形成對冷裂敏感的顯微組織。

含有大量的Cr、Mo等強碳化物形成元素，使接頭的過熱區具有不同程度的再熱裂紋敏感性。在350-550℃溫度區間長期運行時，當有害殘餘金屬總含量超過容許極限時，發生的漸進的脆變現象。

S30408為奧氏體不鏽鋼，兩種鋼材之間化學成分、金相組織、物理性能和化學性能等方面有較大差異，焊接時容易出現以下問題。

1.1焊縫的稀釋

在焊接過程中，焊縫金屬會受到12Cr2Mo1熔敷金屬的稀釋作用，在緊靠12Cr2Mo1一側熔合區的焊縫金屬中，形成和焊縫金屬成分不同的過渡層，母材合金含量越大，稀釋率越大，熔合比越大，稀釋率也越大。12Cr2Mo1一側過渡層可能會因稀釋而產生脆性馬氏體組織。.

1.2 碳遷移

高溫下，由於鉻元素與碳原子的親和能力很強，易形成碳化鉻的化合物，在焊接過程中，12Cr2Mo1一側因貧鉻而使碳原子脫離形成脫碳區，進而軟化，晶粒粗大，脆性增大，抗腐蝕能力下降，而S30408一側因富含鉻而使碳原子向其遷移形成增碳層，進而硬化，晶粒變細，性能變好。

1.3 焊接應力

由於兩種材料的熱導率和線膨脹係數不同，焊接過程中，高溫區產生熱應力，並且該熱應力無法消除，使焊縫和熔合區附近產生附加拉應力，在冷卻過程中，因收縮不一致產生焊接殘餘應力，導致在12Cr2Mo1側產生裂紋。

2.1 材料的化學成分和力學性能

評定用材料為12Cr2Mo1和S30408不鏽鋼，規格均為400mm×150mm×10mm，兩種材料的化學成分和如表1所示

2.2 焊接方法

為了減少焊縫的稀釋，防止產生冷裂紋和再熱裂紋，12Cr2Mo1和S30408異種鋼焊接時，在12Cr2Mo1側先堆焊鎳基焊材，選用熔合比小、稀釋率低的焊接方法，鎢極氬弧焊和焊條電弧焊的熔合比較小，焊縫成分也比較穩定，因此，該異種鋼選用氬弧焊打底，焊條電弧焊蓋面的焊接方法。

2.3 焊材

採用鎳基焊條ENi6182和鎳基焊絲SNi6082，利用鎳的石墨化作用阻礙形成碳化物，減小過渡層，防止產生脆性的馬氏體組織，進一步抑制12Cr2Mo1中的碳遷移。

2.4 焊接坡口

對於焊接坡口形式，應儘量考慮焊接層數、填充金屬量、熔合比和焊接殘餘應力，設計的坡口形式及尺寸如圖1所示。

2.5預熱和層間溫度控制

12Cr2Mo1顯微組織為回火貝氏體，S30408顯微組織為奧氏體，12Cr2Mo1具有淬硬性、再熱裂紋傾向和回火脆性，而 S30408具有良好的焊接性，根據兩種材料的化學成分、接頭形式、焊接方法和焊接材料等考慮，通過焊接性試驗確定，預熱溫度在200℃左右，焊接的道間溫度控制在100℃之內，焊後立即進行350℃×2h後熱處理。

2.6 焊接工藝參數

焊前，對坡口及兩側各200mm之內的氧化層、油汙、水分、鐵鏽等進行清理，具體的焊接工藝參數如表2所示。

2.7 焊後消除應力熱處理

焊後消除應力熱處理是防止焊接裂紋的重要工藝措施，12Cr2Mo1和S30408異種鋼焊接時，會產生很大的焊接殘餘應力，因此，焊後需要進行690±10℃×2h的熱處理，以消除焊接殘餘應力，避免裂紋的產生。

焊接工藝評定採用NB/T47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》標準進行，對評定試板進行外觀檢查，表面沒有氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，然後進行100%射線檢測，射線檢測按照NB/T47013-2013《承壓設備無損檢測》評定，Ⅱ級合格。按照NB/T47014-2011標準要求加工試樣，進行拉伸、彎曲和衝擊等力學性能試驗，力學性能試驗結果如表3、表4、表5所示。

由上述數據可知，拉伸、彎曲和衝擊試驗都合格，說明所制定的焊接工藝滿足要求，焊接接頭的性能符合規定。

（1）採用熔合比小、稀釋率低的氬弧焊打底，焊條電弧焊蓋面的焊接方法，在12Cr2Mo1側先用焊條電弧焊堆焊鎳基焊材選用鎳基焊絲SNi6082和鎳基焊條ENi6182對12Cr2Mo1和S30408異種鋼進行焊接，通過合理的焊接工藝，獲得了性能符合標準規定的焊接接頭。

（2）按照NB/T47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》，對焊接接頭進行了力學性能試驗，拉伸試樣斷在焊縫上，為韌性斷裂，抗拉強度滿足標準要求，彎曲試樣和衝擊式樣滿足標準要求。

本文編輯：糖糖

來源：CPEC承壓設備專委，「壓力容器人」編輯整理髮布

作者：刁志鋒，秦燦宏

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