热处理工艺对SA213.docx

1、热处理工艺对SA213热处理工艺对SA213-T23焊接接头性能的影响摘要: T23是目前我国火力发电厂引进的新型钢种，广泛用于锅炉过热器、再热器管道，本文通过对T23管材采用不同的焊接工艺进行试验，对比分析不同预热及焊后热处理温度下焊缝的性能，分析焊接工 艺对其使用性能的影响。关键词: 热处理工艺；SA213-T23；焊接接头性能；影响 Key Word: heat treatment；SA213-T23；weld joint properties；influence 1 前 言 为提高能源利用率，电站机组的容量和参数越来越高，特别是90年代中期以来，随着世界范围钢铁冶炼技术的革命性进步，我

2、国水电和火电建设的重要结构和部件采用了不少新的钢种，SA213-T23就是其中的一种。T23是由T22改良发展而来的，它是在T22化学成分的基础上添加1.6%的钨(W)，减少0.20%的钼 (Mo)和0.040.10%的碳(C)含量，以及增加少量钒（V）、铌（Nb）、镍（Ni）和硼（B）成分形成的。依赖于这些特殊元素的加入以及适当的热处理，正火+回火、淬火+回火，T23钢的蠕变强度和许用应力都大幅度地提高。 T23这类新材质目前已广泛应用到电站的水冷壁、过热器等部件，由于减少了碳含量，改善了T23的焊接性能，有资料显示，在小管焊接中不用预热和热处理，仍能确保T23钢在生产和运行中始终保持良好稳

3、定的抗蠕变特性。由于T23是新钢种，其焊接工艺仍在探索阶段，国内目前对其焊接及热处理工艺尚无权威定论。为了找到较适合的焊接工艺方案，我们针对T23小管焊接通过采用了不同的方案，对比预热、焊后热处理对T23焊接工艺及使用性能的影响，在焊接试验中进一步验证文献中的有关结论。 2 T23钢材焊接性分析 T23钢材化学成分如表1所示： 表1 T23钢材化学成分 钢号 C Mn Si S P Cr Mo V W Cb B N Al T23 0.040.10 0.100.60 Max.0.50 Max.0.010 Max.0.030 1.92.6 0.050.30 0.200.30 1.451.75 0.

4、020.08 0.00050.0060 Max.0.030 Max.0.030 ASME标准中SA213-T23钢属于2-1/4Cr-1.6W-Mo系列钢材，属于低碳微合金化的控轧钢和细晶粒钢，经正火+回火供货状态下T23钢的微观组织为回火贝氏体马氏体及优化处理后的沉淀析出物，因含碳量低（碳被限制在0.10%左右或0.10%以下），且严格控制含硫、磷量，减少形成裂纹的倾向，同时加入了钒（V）、铌（Nb）、镍（Ni）和硼（B）等微合金化元素，供货状态下其金相组织的特点是晶粒细小均匀，提高了材料的高温蠕变强度和许用应力。 比较以往电站水冷壁大多数选用20g而言，T23钢较大幅度地减少了碳含量，提高

5、了焊接性，有利于降低焊接热影响区硬度值。T23中添加了大量微合金元素，其中与碳亲和力较强的合金元素（如钒元素），因为材料中碳含量已受到严格控制，除部分与C形成VC外，其余以原子状态溶入固熔体起到固熔强化的作用；与碳亲和力较弱的元素（如Mn、Cr、W、Mo等），由于Cr、W含量较高将形成特殊的化合物，如Cr7C3或（Fe、Cr）7C3、WC或（Fe、W）6C，形成合金渗碳体起到弥散硬化、增加强度和硬度的作用。 根据以上分析，T23在焊接过程中要注意控制焊接线能量的输入，选用适当的焊接电流和焊接速度，并控制层间温度，防止合金元素的烧损，同时选用相匹配的焊接材料进行焊接，在焊接过程中能起到渗合金作用

6、，以弥补合金元素的损失，保证焊缝微观组织和力学性能。 3 焊接工艺试验方案 由于T23主要用于电站水冷壁、过热器部件，为使试验具有实用性和参考价值，我们针对T23小管进行试验，且采取用手工钨极氩弧焊方法，与实际工程施工相对应。为分析、对比不同预热及热处理工艺对T23小管氩弧焊焊接接头性能的影响，我们进行了一组对比试验，该组对比试验是在材质、焊接材料的选用、坡口形式、焊接位置、工艺参数等条件均基本一致的情况下，通过采用不同预热及热处理工艺，比较各性能指标的差异。 31 焊接工艺试验基本条件如下： 材质：SA213-T23 规格：487mm 焊接位置：垂直固定（2G） 焊接方法：手工钨极氩弧焊 焊

7、接材料：TGS-2CW（2.4mm）日本三菱公司生产 保护气体：氩气（氩气纯度99.95%）、氩气流量810L/min 焊机：INVERTIC-I-300 坡口形式：如图1所示。 图1 焊缝坡口尺寸 管口在组对前应对母材内外壁每侧1015mm范围内的油、漆、垢、锈等清理干净，直至露出金属光泽。焊口组对尺寸如图1所示，并应尽量使内壁齐平。 焊材化学成分如表2。 表2 TGS-2CW焊丝化学成分 牌号 C Mn Si S P Cr Mo V W Cu B NB Al TGS-2CW 0.06 0.48 0.40 0.007 0.006 2.45 0.50 0.33 1.25 0.11 0.01 0

8、.03 0.01 32 预热及热处理方案的选择 进行三组对比试验，每组方案的基本试验条件均相同，只是在是否预热、有无焊后热处理方面有所差异，经查有关资料，T23的Ac1温度范围为800820，并参考有关热处理规范要求，确定焊后热处理温度为715735。 具体方案设置如表3： 表3 不同方案热处理参数对比 名称 预热（） 层间温度（） 焊后热处理（） 方案1 150200 350 N/A 方案2 N/A 350 715735 0.75H 方案3 150200 350 715735 0.75H 4 实验过程 41选择有经验的、焊接质量稳定的焊工作为工艺试验操作者。 42每组方案各焊制3个焊口进行相

9、关检验。 43焊接前制定详细的焊接工艺试验方案，确定焊接工艺参数参考值，明确注意事项，并严格按工艺试验方案要求进行施焊。 44焊接预热方法可采用火焰加热，预热温度及层间温度用专用测温笔进行控制。 45各方案的焊接工艺参数记录值如表46。 表4 方案1焊接工艺参数 焊层焊道 焊接方法 电流范围 电压范围( V ) 焊接速度范围( mm/min ) 焊接线能量 极性 电流( A) 1 GTAW 正接 98105 1112 5055 11.715.1 2/1-2 GTAW 正接 98105 1112 5575 11.713.7 3/1-2 GTAW 正接 116120 1112 4852 14.71

10、8 4/1-2 GTAW 正接 116120 1112 4458 13.218.9 表5 方案2焊接工艺参数 焊层焊道 焊接方法 电流范围 电压范围(V) 焊接速度范围(mm/min) 焊接线能量 极性 电流(A) 1 GTAW 正接 105115 1112 5055 12.616.6 2/1-2 GTAW 正接 105115 1112 6070 11.513.8 3/1-2 GTAW 正接 105115 1112 5560 11.515.5 4/1-2 GTAW 正接 105115 1112 4560 11.518.4 表6 方案3焊接工艺参数焊层焊道 焊接方法 电流范围 电压范围(V) 焊

11、接速度范围(mm/min) 焊接线能量极性 电流(A) 1 GTAW 正接 105115 1112 4550 13.818.4 2/1-2 GTAW 正接 105115 1112 6065 11.513.8 3/1-2 GTAW 正接 105115 1112 5060 13.816.5 4/1-2 GTAW 正接 105115 1112 5060 13.816.5 为防止出现根部烧焦、气孔等缺陷，在3个方案中均严格控制线能量的输入，第2层焊接速度较快是为避免第2层焊接时对打底层的重复加热，导致根层焊缝出现过烧现象，同时为控制层间温度，不宜在同一处进行重复施焊，焊接速度不宜太慢，以免停留某处过久

12、造成过烧、咬边等缺陷。 5 各方案试验结果对比 所有按要求焊制的焊口经外观、透视检验合格后，进行相关力学性能、金相试验检验。各方案试样检验结果如下： 51 方案1焊接接头力学性能及微观金相（见表7和图2）。表7 方案1焊接接头力学性能检验项目 抗拉强度( M Pa ) 弯曲角度 硬度(HB)冲击值( J/cm2 ) 结论正弯 180 未发现裂纹反弯 180 未发现裂纹拉伸试验 633 母材断裂母材 150热影响区 152 90焊缝中心 212 106母材（X 400） 热影响区（X 400） 熔合区（X 400）图2 方案1焊接接头金相组织 分析：经方案1试焊，焊接接头各项力学性能指标均达到试

13、验要求，微观组织正常，母材区为铁素体+少量回火贝氏体，热影响区为铁素体+回火贝氏体，且铁素体区内有较多的合金碳化物析出，熔合区为铁素体基体+大量弥散分布的合金碳化物组织，且在晶粒边界上碳化物析出较多。 52 方案2焊接接头力学性能及微观金相（见表8和图3）表8 方案2焊接接头力学性能检验项目 抗拉强度( M Pa ) 弯曲角度 硬度( HB ) 冲击值( J/cm2 ) 结论正弯 180未发现裂纹反弯 180未发现裂纹拉伸试验 579母材断裂母材 127热影响区 136 214焊缝中心 206 184母材（X 400） 热影响区（X 400）熔合区（X 400）图3 方案2焊接接头金相组织 分

14、析：经方案2试焊，焊接接头各项力学性能指标均达到试验要求，微观组织正常。母材区为铁素体+少量回火贝氏体；热影响区为铁素体+回火贝氏体，贝氏体组织十分明显，由于进行了焊后热处理，碳化物进行了重组，有部分合金元素经高温回火以固熔体的形式存在，因此比较方案1、2的热影响区可见铁素体基体上的碳化物析出较少；熔合区为铁素体基体+细小的合金碳化物组织，碳化物分布较均匀。因此比较方案1、2，因焊后热处理导致碳化物分布不同，且合金在热处理后固熔强化效果增强，使材料在热处理后硬度下降而冲击韧性增强。 53 方案3焊接接头力学性能（见表9和图4）表9 方案3焊接接头力学性能检验项目 抗拉强度( M Pa ) 弯曲

15、角度 硬度( HB ) 冲击值( J/cm2 ) 结论正弯 180未发现裂纹反弯 180未发现裂纹拉伸试验 576母材断裂母材 133热影响区 128 209焊缝中心 152 205母材（X 400） 热影响区（X 400）熔合区（X 400）图4 方案3焊接接头金相组织 分析：经方案3试焊，焊接接头各项力学性能指标均达到试验要求，微观组织正常。母材区为铁素体+少量回火贝氏体；热影响区为铁素体+回火贝氏体；熔合区为铁素体基体+细小的合金碳化物组织，碳化物分布较均匀。因此比较方案2、3，材料在力学性能和金相组织相差不大，可见有无预热对T23小管焊接接头质量影响不大。 54 试验结果比较分析 54

16、1 以上3方案按不同热处理方案处理，在相同焊接条件下所焊制的焊接接头力学性能、微观金相结果均达到试验要求，证明在有无热处理的条件下，T23钢材均能达到使用要求的性能指标。 542 方案2及方案3的力学性能指标相近，说明有无预热对T23小管焊接来说影响不大。 543 方案1与方案2、3指标差别在于焊缝硬度和冲击值，说明经焊后热处理碳化物分布均匀，改善了焊缝组织，降低焊缝硬度且提高冲击韧性。 6 结论61 对T23材质小管全氩弧焊接来说，按不同热处理方案处理，在相同焊接条件下均可得到优质焊接接头，说明焊接热处理对材质焊接力学性能影响不大，对于小管焊接只要控制好焊接速度、层间温度等，可不采取预热和焊后热处理措施。由于在T23主要用于电站的水冷壁、过热器等管道，均为小径管，因此在实际焊接时只要按工艺要求严格控制焊接参数，可不采取焊前预热和焊后热处理的工艺措施。 62 焊后热处理对焊缝的硬度和冲击韧性仍有一定的影响，因此对于T23大管焊接来说，因管壁较厚，焊接完成后因热输入不均可能会造成组织间合金成分差异较大，焊后残余应力也大，因此对T23大管是否需预热和焊后热处理仍有待进一步探讨。