HR3C與TP347HFG的焊接

陳建凱

廣東臺山平安五金制品有限公司

HR3C與TP347HFG的焊接

陳建凱

廣東臺山平安五金制品有限公司

本文通過對奧氏體不銹鋼HR3C和TP347HFG的性能分析，闡述了HR3C與TP347HFG焊接存在的問題，并采取了行之有效的工藝措施，完成了HR3C與TP347HFG兩種奧氏體不銹鋼的氬弧焊焊接工藝評定，獲得了優質接頭。

HR3C；TP347HFG；奧氏體不銹鋼

隨著火力發電機組朝著大容量、高參數方向發展，對鍋爐高溫高壓部件材質的要求越來越高。在Samcheok項目550MW鍋爐過熱器、再熱器管道中，采用了蠕變強度和抗氧化性能高的HR3C和TP347HFG奧氏體不銹鋼，根據設計要求，需要完成HR3C鋼和TP347HFG異種鋼的對接，之前我們沒有焊接此種接頭的經驗，需要制定有效的焊接工藝以保證焊接質量。

1　HR3C、TP347HFG鋼的性能、化學成分

1.1HR3C和TP347HFG鋼的性能

HR3C鋼管是日本住友研發的新型奧氏體耐熱鋼，在25Cr-20Ni （TP310）的基礎上添加了一定量的Nb和N，利用彌散析出的微細的Nb的碳氮化合物和金屬間化合物對25-20鋼進行強化，使鋼的高溫強度、蠕變強度得到了很大的提高，是抗煙氣腐蝕和內壁抗氧化性能更優異的鋼材。

TP347HFG是鉻鎳鈮奧氏體不銹鋼。它利用微細的鈮碳化物（NbC）的溶解和沉淀機理，采用較高的固溶處理溫度的熱處理工藝使得晶粒大大地細化。持久強度比ASME規范的規定值高約20%，具有較好的抗晶間腐蝕性能、良好的組織穩定性和更優異的抗氧化及剝離性能。主要用于制造亞臨界、超臨界壓力參數的大型發電鍋爐的高溫段以及各種耐高溫高壓的管件等；對于承壓部件，最高工作溫度可達650℃；對于抗氧化部件，最高抗氧化使用溫度可達850℃。

1.2HR3C和TP347HFG鋼的化學成分

實驗采用的HR3C化學成分如表1所示，TP347HFG的化學成分如表2所示。滿足ASMESectionⅡA篇SA213所列化學成分范圍。

表1　HR3C鋼的化學成分w（%）

表2　TP347HFG鋼的化學成分w（%）

2　HR3C和TP347HFG奧氏體不銹鋼焊接存在的主要問題

HR3C和TP347HFG奧氏體不銹鋼合金含量高，熱傳導性差，線膨脹系數大，焊接易產生拉應力。焊縫熔池黏性大，易產生焊縫根部內凹、未熔合、弧坑裂紋等缺陷。另外奧氏體焊縫產生方向性很強的柱狀晶，促使有害雜質的偏析，易形成晶間液態薄膜。當在敏化溫度區間450-850℃長時間停留時，會促使Cr23C6在晶界析出，降低耐蝕性。

3　焊接工藝的制定

3.1焊接設備

采用美國制MillerDimension562手工鎢極氬弧焊機，高頻起弧，水冷焊槍，具有升、降電流的腳踏控制開關。

3.2母材規格與試件數量

規格為Φ50.8mm×6.35mm的HR3C和TP347HFG鋼管，各2件。

3.3焊接材料的選擇

根據奧氏體不銹鋼焊接材料的選擇原則：根據鋼的具體成分和服役條件以及對焊縫金屬的性能要求選擇焊接材料YT-304H，此類焊絲的主要化學成分Cr、Ni含量與HR3C和TP347HFG母材接近，且介于兩者之間。焊絲中含有較多量的Mn，雜質元素S、P含量很低，能夠降低焊縫出現熱裂紋的傾向。焊絲中含有Nb，在焊接過程中會過渡到焊縫中去，Nb與C之間親和力較強，會優先結合，從而抑制了Cr23C6在晶界的析出，提高了焊縫的耐腐蝕性能。

YT-304H全焊縫金屬的抗拉強度為836MPa，伸長率31%，查詢ASMESectionⅡA篇可以得知HR3C的抗拉強度為655MPa，伸長率35%，TP347HFG的抗拉強度為550MPa，伸長率35%，YT-304H全焊縫金屬的伸長率與兩側母材接近，凝固時接頭各部分變形均勻，殘余應力較小，抗拉強度高于兩側母材，可以滿足焊縫機械性能要求。

所以選擇YT-304H焊絲作為填充材料，從化學成分和焊縫性能來看，都是比較合適的。

表3　YT-304H焊絲的化學成分W（%）

3.4焊前準備

3.4.1坡口加工和裝配要求：

采用機械加工V形坡口，坡口角度40±2.5°，根部間隙1～3mm，不留鈍邊，管口錯邊量不得大于1mm。

3.4.2焊前清理

焊接前用不銹鋼鋼絲刷清除坡口附近的所有油脂、其它外來物。

3.5焊接工藝

采用鎢極氬弧焊（GTAW），試件位置水平固定（5G），選用鈰鎢極，規格Ф3.2mm。保護氣體和背氣均為氬氣，純度≥99.99%。焊縫層道布置見圖1，焊接工藝參數見表4。

圖1

表4　HR3C與TP347HFG焊接工藝參數

3.6操作技術要點

（1）焊前充氣為了避免焊縫根部氧化管內需加背氣保護且必須保持至第二層結束。

（2）定位焊定位焊在12點位置，焊縫兩端需磨成斜坡狀。這樣可以避免接頭時產生未熔合或者收弧凹坑，定位焊的長度為15～20mm。

（3）預熱及層道溫度不需預熱，為避免層間溫度過高時產生晶間腐蝕和氧化，必須小道多層快速焊，層（道）間溫度控制在≤150℃。

（4）每層填充厚度不超過3mm，焊道擺動寬度≤10mm。

3.7焊后熱處理

根據ASMEⅠ，奧氏體不銹鋼焊縫無需進行焊后熱處理。

4　檢驗

4.1外觀檢查

兩個試件焊縫余高1～2mm，焊縫及熱影響區表面無裂紋、未熔合、夾渣、氣孔等缺陷。滿足ASMEIX要求。

4.2射線檢查

兩個焊接試件經射線探傷檢驗，均為1級，滿足ASMEIX要求。

4.3機械性能檢查

4.3.1拉伸試驗

按照ASTME8《金屬材料拉伸試驗方法》進行焊接接頭拉伸試驗，拉伸試驗結果見表5。結果符合ASMEIX的要求。

表5　焊接接頭拉伸試驗數據表

4.3.2彎曲試驗

取4個試樣按照ASTME190《焊縫導向彎曲試驗方法》進行焊接接頭彎曲試驗，試樣均未出現任何開裂。試驗結果符合ASMEIX的要求。

4.4金相檢查

對焊接試樣進行宏觀金相檢查，焊縫區域均未見裂紋、疏松、氣孔、無過燒組織及淬硬性馬氏體組織，金相合格。

5　結語

HR3C與TP347HFG鋼管用手工鎢極氬弧焊焊接，只要采用行之有效的工藝措施，就可以得到具有良好強度和韌性的焊接接頭。上述鎢極氬弧焊工藝在車間現場焊接中得到成功應用，焊縫RT合格率達到98.5%以上，證明該焊接工藝是正確可行的。

［1］張佩良.淺談HR3C的焊接［J］.超（超）臨界鍋爐用鋼及焊接技術協作網第三次論壇大會論文集.2009.

［2］ASME鍋爐及壓力容器規范國際性標準Ⅸ.中國石化出版社.2010