12Cr2MoWVTiB鍋爐用低合金鋼管焊接工藝

喬平 池寧 朱寧

摘 要：本文針對12Cr2MoWVTiB低合金貝氏體耐熱鋼（鋼研102），在鍋爐過熱器蛇形主蒸汽管的應用，通過焊接性分析、工藝試驗及工藝評定，研究制定合理的焊接工藝方案，滿足了產品的焊接質量和使用性能。

關鍵詞：鋼研102管；焊接性；焊接工藝

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.058

1 前言

為延長鍋爐過熱器的使用壽命，攀鋼發電廠新制作安裝的240t/h鍋爐高溫過熱器蛇形管采用材質為12Cr2MoWVTiB的鋼管，其規格Φ42×5mm。由于12Cr2MoWVTiB鋼焊接性較差，工作時壓力為7.82MPa，又在高溫環境下運行使用，對焊縫質量和使用性能要求較高。為保證焊接質量，根據產品特點，要求做焊接工藝試驗及焊接工藝評定，以制定出合理的工藝及措施，來保證焊縫質量和焊接接頭的使用要求。

2 12Cr2MoWVTiB鋼管焊接特點

2.1 化學成分分析

12Cr2MoWVTiB鋼的化學成分見表1。它是一種貝氏體型的低合金耐熱鋼，以Cr、Mo、V、Ti為主要合金元素，Cr能顯著地提高鋼的熱穩定性，Mo的固溶強化和V的彌散強化提高了鋼的高溫性能。在鉻鉬鋼中加入釩、鈮、鈦、鎢和硼等碳化物形成元素，彌散分布的碳化物可以強化鐵素體基體，同時提高鋼它的蠕變強度和組織穩定性。該鋼采用了固溶強化、穩定碳化物相、晶界強化多種強化等手段，使它具有良好的綜合力學性能、工藝性能和相當高的持久強度。

2.2 焊接性分析

12Cr2MoWVTiB鋼焊接時有下列特點：①按其合金含量具有的一定淬硬傾向。在熱循環決定的冷卻速度條件下，焊縫金屬和熱影響區可能易產生冷裂紋，并且可能出現熱影響區的硬化、軟化；②鋼中含有Cr、Mo、V、Ti等強烈的碳化物形成元素，從而使接頭過熱區具有產生再熱裂紋的傾向；③鋼材及其焊接接頭，具有明顯的回火脆性；④當焊接材料選擇不當焊縫中有可能產生熱裂紋。

2.2.1 冷裂紋傾向

碳鋼和低合金鋼的淬硬性取決于它的碳含量、合金成分及其含量。12Cr2MoWVTiB鋼中的主要合金元素鉻和鉬等都顯著地提高了鋼的淬硬性。這些合金元素推遲了鋼在冷卻過程中的轉變，提高了過冷奧氏體的穩定性。由于淬硬組織和擴散氫的作用，在焊接接頭中可能出現冷裂紋。

根據國際焊接學會提供的低合金鋼碳當量公式：

CE=C++

按表1數據，計算得到：CE=0.892%。CE數值越大，被焊材料淬硬傾向越大。根據經驗，當碳當量值達到0.45%以上時，就容易產生冷裂紋。因此焊接過程應采用低氫型焊條并控制焊接熱輸入，以及適當的預熱、后熱等措施，來避免產生焊接冷裂紋。

2.2.2 消除應力處理裂紋傾向

低合金耐熱鋼焊接接頭消除應力裂紋傾向主要取決于鋼中碳化物形成元素（Mo、V等）及其含量、焊接工藝措施。可以用PSR裂紋指數表示鋼的消除應力裂紋的敏感性。

PSR=（%Cr）+（%Cu）+2（%Mo）+10（%V）+7（%Nb）+5（%Ti）-2

計算得到：PSR=6.5。當PSR≥0時，就有可能產生再熱裂紋。由此可見12Cr2MoWVTiB材料有產生應力裂紋的可能較大。應力裂紋出現在焊縫熱影響區的粗晶區，與焊接工藝及焊接殘余應力有關。消除應力裂紋一般在500℃～700℃的敏感溫度范圍。為防止消除應力裂紋，可采取下列措施：

①選用優于母材的焊接材料，限制母材和焊接材料的合金成分，特別是要嚴格限制V，Ti等合金元素的含量；

②采用低線能量焊接工藝，適當提高預熱溫度和道間溫度，縮小焊接過熱區寬度，細化晶粒；

③選擇合理的熱處理、避免在敏感溫度區間停留較長時間。

2.2.3 回火脆性

鉻鉬鋼及其焊接接頭在350℃～500℃的回火脆性溫度與其雜質含量有密切關系，母材中P、As、Sb、Sn等雜質元素在奧氏體晶界偏析而引起的晶界脆化。

為了盡可能地減小焊接接頭回火脆性傾向，應盡量控制接頭中雜質含量，特別是降低焊縫金屬中的O，Si和P的含量。

3 焊接工藝

3.1 焊接方法與焊接材料的選擇

3.1.1 焊接方法

根據12Cr2MoWVTiB的焊接特點以及我公司的設備、材料準備情況。決定采用手工鎢極氬弧焊進行焊接。因氬弧焊用于管道生產可以實現單面焊雙面成形，它還具有超低氧的特點，焊接時還可適當降低預熱溫度。

3.1.2 焊接材料

根據焊縫金屬的合金成分與強度性能基本符合母材標準規定的下限值或應達到產品技術條件規定的最低性能指標的原則，選擇與鋼相對應的焊絲牌號H08Cr2MoWVNbB。

4 焊接工藝及操作要點

4.1 焊前準備

（1）焊前采用砂輪打磨清理坡口兩側各20mm范圍內的加工面上的毛刺、鐵銹，并用丙酮擦洗坡口表面上的氧化膜、油污等，還應將焊絲表面的防銹油清除干凈。

（2）鋼管組對蛇形管時采用對管器組對。應做到內壁齊平，盡量減小錯邊。錯邊量應控制不超過壁厚的10%以內。坡口基本型式及尺寸如圖1所示。

（3）定位焊接時所用焊絲牌號、規格及工藝參數與正式焊接相同。

（4）焊前預熱溫度可通過鋼材的碳當量值CE來估算：預熱溫度T0=350。根據公式估算出T0≈280℃，因此確定預熱溫度為260～300℃。

4.2 焊接工藝參數

4.3 整個焊接過程中控制層間溫度略高于預熱溫度

層間溫度高控制在300度～350度之間，略高于中碳鋼預熱溫度50度左右，利用擴散氫的逸出。

4.4 操作要點

（1）底層焊接操作時焊槍應均勻而平穩地向前做直線運動，可以采用斷續點滴的填絲方式填絲，在氬氣保護區內焊絲向熔池邊緣以滴狀形式往復加入；蓋面焊時焊絲放在熔池中連續送進，焊槍可做輕微橫向擺動并控制熔池大小和熔合好兩坡口邊緣。焊槍、焊絲與管縫焊接操作時的相對角度圖2所示。

（2）氬氣流量要合適，流量過小，沒有挺度，會導致在焊接過程中，空氣侵入熔池，造成保護不良，流量過大，會產生紊流，也會影響保護效果。熄弧后，不能立即關閉氬氣，必須等到鎢極呈暗紅色后才能關閉，時間為5～10s，以防止母材及鎢極在高溫時被氧化。

4.5 焊后熱處理

12Cr2MoWVTiB鋼由于有消除應力裂紋傾向和回火脆性，焊后熱處理應盡量避免在敏感溫度區間進行，在危險溫度區間范圍內應較快加熱速度。焊后熱處理工藝曲線如圖3所示。

5 焊后檢驗

（1）焊接接頭冷卻到室溫后，經外觀檢查焊縫表面無氣孔、夾渣、未熔合、裂紋、咬邊等缺陷，焊縫表面尺寸均控制在NB/T47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》標準要求范圍內。

（2）對所有焊縫進行X射線無損探傷均不低于Ⅱ級片。

（3）按GB2649-89標準截取試樣加工后，進行接頭的拉伸、冷彎和沖擊檢驗，均達到標準規定的下限值以上。

6 結束語

對12Cr2MoWVTiB低合金貝氏體耐熱鋼管應用于鍋爐的過熱器，進行焊接性能分析，制定出合理的焊接工藝及措施，保證了焊接接頭的質量和高溫使用性能要求?，F已生產運行3年半，未發現任何質量問題，延長了鍋爐高溫過熱器管的使用壽命。

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[4]NB/T47014-2011.承壓設備焊接工藝評定[S].

作者簡介：喬平（1970-），男，重慶人，大專，二級電焊工技師，從事焊接工藝研究與焊接操作。