热处理工艺对SA213.docx

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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

KeyWord:

heattreatment；SA213-T23；weldjointproperties；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0.04～0.10%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。

2T23钢材焊接性分析

T23钢材化学成分如表1所示：

表1T23钢材化学成分

钢号CMnSiSPCrMoVWCbBNAl

T230.04~0.100.10~0.60Max.0.50Max.0.010Max.0.0301.9~2.60.05~0.300.20~0.301.45~1.750.02~0.080.0005~0.0060Max.0.030Max.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，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。

3．1焊接工艺试验基本条件如下：

材质：

SA213-T23规格：

φ48×7mm

焊接位置：

垂直固定（2G）焊接方法：

手工钨极氩弧焊

焊接材料：

TGS-2CW（φ2.4mm）日本三菱公司生产

保护气体：

氩气（氩气纯度≥99.95%）、氩气流量8~10L/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10~15mm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2TGS-2CW焊丝化学成分

牌号CMnSiSPCrMoVWCuBNBAl

TGS-2CW0.060.480.400.0070.0062.450.500.331.250.11＜0.010.03＜0.01

3．2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800～820℃，并参考有关热处理规范要求，确定焊后热处理温度为715~735℃。

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1150~200≤350N/A

方案2N/A≤350715~735℃0.75H

方案3150~200≤350715~735℃0.75H

4实验过程

4．1选择有经验的、焊接质量稳定的焊工作为工艺试验操作者。

4．2每组方案各焊制3个焊口进行相关检验。

4．3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。

4．4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。

4．5各方案的焊接工艺参数记录值如表4~6。

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）

1GTAW正接98~10511~1250~5511.7~15.1

2/1-2GTAW正接98~10511~1255~7511.7~13.7

3/1-2GTAW正接116~12011~1248~5214.7~18

4/1-2GTAW正接116~12011~1244~5813.2~18.9

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）

1GTAW正接105~11511~1250~5512.6~16.6

2/1-2GTAW正接105~11511~1260~7011.5~13.8

3/1-2GTAW正接105~11511~1255~6011.5~15.5

4/1-2GTAW正接105~11511~1245~6011.5~18.4

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）焊接速度范围（mm/min）焊接线能量

极性电流（A）

1GTAW正接105~11511~1245~5013.8~18.4

2/1-2GTAW正接105~11511~1260~6511.5~13.8

3/1-2GTAW正接105~11511~1250~6013.8~16.5

4/1-2GTAW正接105~11511~1250~6013.8~16.5

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：

5．1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（MPa）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15290

焊缝中心212106

母材（X400）热影响区（X400）熔合区（X400）

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。

5．2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（MPa）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136214

焊缝中心206184

母材（X400）热影响区（X400）

熔合区（X400）

图3方案2焊接接头金相组织

分析：

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。

5．3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（MPa）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576

母材断裂

母材133

热影响区128209

焊缝中心152205

母材（X400）热影响区（X400）

熔合区（X400）

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。

5．4试验结果比较分析

5．4．1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。

5．4．2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。

5．4．3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

6．1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。

6．2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。