1Cr11M oNiW 1VNbN鋼堆焊司太立合金工藝

王紅海，沈陽威，張仁軍，吳海濤

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150046）

0 前言

受高速氣流沖刷、震動、沖擊等作用，汽輪機主蒸汽插管、閥座、閥碟等工件容易被損壞，影響機組正常運行并危及安全。設計中往往在插管、閥座、閥碟等工件表面堆焊司太立硬質合金，以增強其耐沖刷及抗震和耐沖擊能力，提高工件的使用壽命，保證機組安全運行[1-2]。

1Cr11MoNiW1VNbN鋼為馬氏體耐熱鋼，合金元素含量高、碳當量大，焊接性差，焊接過程中需要嚴格控制焊接參數。司太立合金強度高、塑韌性差、導熱率低、硬度高，焊接過程中極易出現焊接裂紋[3]。綜合以上因素，在1Cr11MoNiW1VNbN鋼上堆焊司太立合金難度大，需制定合理的焊接工藝以滿足生產要求。在此通過研究焊材及本體焊材，選定理想的過渡層材料，制定合理的焊接規范，以期獲得理想的司太立合金堆焊層。

1 1Cr11M oNiW 1VNbN鋼材料性能

1Cr11MoNiW1VNbN鋼為改進型12%Cr馬氏體不銹鋼，綜合性能優越，除具有較高的熱強性以及較好的減震性和抗松弛性能外，還具有較高的抗拉強度及屈服極限、良好的抗高溫氧化和抗蠕變性能，廣泛應用于汽輪機高溫葉片、主汽閥閥座和緊固件，其化學成分和力學性能分別如表1、表2所示。該材料作為一種碳當量較高的馬氏體鋼，焊接時存在冷裂紋、接頭脆化等問題，焊接及補焊會有一定的難度，需要采取一些措施。

表1 1Cr11M oNiW 1VNbN的化學成分%

表2 1Cr11M oNiW 1VNbN的力學性能

2 焊接方法

堆焊司太立合金可采用氧-乙炔氣焊、鎢極氬弧焊、焊條電弧焊和等離子弧焊等多種方法，各種方法各有優缺點。焊條電弧堆焊和氧-乙炔火焰堆焊生產效率較低，勞動環境差，對焊工技術水平要求苛刻；埋弧焊稀釋率相對較高；激光、等離子弧等高能束焊以及摩擦堆焊具有工藝設備復雜、生產成本高的缺點。而鎢極氬弧焊相對成本低，勞動環境好，堆焊質量優良，廣泛應用于機械行業各種零部件的制造和修復中。另外，鎢極氬弧焊沒有電極熔化對弧長的影響，焊絲從側面向電弧送進，不影響焊接電流。焊接工藝性能好，電弧燃燒穩定，無飛濺，可獲得組織致密、性能優越的堆焊層。堆焊工藝參數一經確定，堆焊質量易于保證，可靠性高，且易于實現自動化[3]。故在此選用機動鎢極氬弧焊設備進行堆焊試驗，研究適用于鎢極氬弧焊的試驗工藝。

3 焊接材料的選擇

3.1 司太立合金焊材的選擇

選擇常用的司太立6#為堆焊材料，其化學成分和力學性能如表3、表4所示。

表3 司太立6#合金的化學成分%

表4 司太立6#合金的力學性能一例[4]

3.2 過渡層的選擇

對比表2和表4可知，1Cr11MoNiW1VNbN基材與司太立合金焊材間的強度雖然較接近，但延伸率差別很大，且兩者的延伸率都不高，塑韌性差。1Cr11MoNiW1VNbN為馬氏體鋼，直接在其上堆焊司太立合金需要很高的預熱溫度，工藝復雜，且焊接過程中一旦產生較大的殘余應力，熱處理過程中升降溫速度控制不嚴格，極易產生焊接裂紋[5]。為了避免上述問題發生，綜合基材與焊材性能，選取ERNiCrMo-3焊材為過渡層焊材，ERNiCrMo-3的化學成分和力學性能分別如表5、表6所示。

選擇ERNiCrMo-3作為過渡層的原因有：

表5 ERNiCrMo-3焊絲的化學成分%

表6 ERNiCrM o-3焊絲熔敷金屬的力學性能

①鎳基材料焊接性好，抗冷裂紋能力強，可不預熱或低溫預熱焊接，減少司太立合金出現裂紋的幾率，同時降低工藝難度；②鎳基材料具有優良的塑、韌性，變形能力良好，可以緩沖機組運行過程中對合金層的沖擊；③ERNiCrMo-3鎳基高溫合金具有較ENiCrFe-3更高的使用溫度、更好的高溫性能，且接近于1Cr11MoNiW1VNbN鋼和司太立合金的強度。

4 焊接工藝試驗

4.1 預熱及層間溫度

1Cr11MoNiW1VNbN鋼焊接時需采用有效的預熱措施來防止氫致裂紋的產生。堆焊ERNiCrMo-3預熱溫度為150～200℃，堆焊司太立合金的預熱溫度相對較高，試驗證明理想的預熱溫度為大于等于315℃，層間溫度控制在450℃以內。

4.2 焊接參數

焊接參數如表7所示。

表7 焊接參數

4.3 焊后熱處理參數

焊后熱處理是防止焊接延遲裂紋和改善焊接接頭性能的重要措施。ERNiCrMo-3過渡層焊后將工件放在150～200℃爐中保溫2 h開始升溫，保溫650℃×4 h，升降溫速度小于等于55℃/h。過渡層焊后熱處理工藝如圖1所示。司太立合金焊后將工件放在溫度高于315℃的爐中保溫緩冷至100℃，在100℃保溫2 h后開始升溫，保溫650℃×4 h，升降溫速度小于等于55℃/h。焊后熱處理工藝如圖2所示。

圖1 ERNiCrMo-3過渡層焊后熱處理工藝

圖2 司太立合金焊后熱處理工藝

5 結果

5.1 焊后檢測結果

過渡層及司太立合金焊后都進行滲透探傷及超聲波探傷，試驗結果合格，未發現裂紋、氣孔等缺陷。

5.2 金相檢驗結果

過渡層及司太立合金焊后的微觀金相圖片如圖3所示。

圖3 堆焊后的微觀金相結果（200×）

經宏觀及微觀金相檢測，在過渡層與1Cr11MoNi W1VNbN母材之間、過渡層與司太立焊層之間以及司太立焊層等橫截面處，均未發現裂紋等焊接缺陷，焊接結果合格。

5.3 硬度檢查

各區域顯微硬度結果如表8所示，司太立焊層硬度值滿足司太立合金硬度要求。

表8 焊接接頭硬度 HV

6 結論

（1）通過研究1Cr11MoNiW1VNbN母材、司太立合金焊材、ERNiCrMo-3焊絲的力學性能，確定用ERNiCrMo-3焊絲焊接過渡層再堆焊司太立焊層以提高工件質量的方案。

（2）通過試驗制訂詳細的GTAW方法堆焊及熱處理工藝，限定預熱溫度、熱處理參數、焊接參數等關鍵工藝參數，獲得滿足使用要求的理想堆焊層，驗證了焊接工藝的可行性，實現指導生產的目的。

[1]陳麗娟，孫忠民，張麗艷.超臨界主蒸汽進汽插管堆焊司太立合金試驗研究[J].汽輪機技術，2007，49（4）：314-316.

[2]趙健，劉霞，李玉艷.1 000MW汽輪機高壓內缸硬質合金堆焊技術的應用[J].熱力透平，2010，39（1）：79-81.

[3]李玉龍，禹業曉.TIG堆焊技術研究進展[J].電焊機，2012，42（12）：70-76.

[4]劉玉珍，桂業偉.司太立合金的性能及應用[J].機械工程材料，1992，16（6）：1-5.

[5]劉雙明，裴玉冰，肖杰.汽輪機閥座堆焊開裂原因分析與對策[J].大型鑄鍛件，2012，7（4）：27-30.