TP347H與12Cr1MoV異種鋼膜式壁焊接工藝

韓玉梅

【摘要】針對在TP347H與12Cr1MoV異種鋼膜式壁焊接過程中所產生的裂紋缺陷問題,本文通過對焊縫缺陷的金相組織觀察、原因的分析思考，探索制定出了解決焊接缺陷的工藝方案。結果表明，新擬定的工藝方案能夠滿足要求，並對實際生產有較好的指導作用。

關鍵詞：TP347H；12Cr1MoV；異種鋼膜式壁焊接；焊接缺陷；工藝方案

1. 概述

光管+扁鋼焊制的膜式壁管屏因其具有密封性好、減少漏風，使爐膛可採用微正壓燃燒等優點，因此廣泛應用於循環流化床的水冷壁結構中。我公司設計的TG—75/9.82—T秸稈鍋爐過熱器系統的中部管屏採用的就是此結構。相應的規格為：光管TP347H/φ38mm×6mm，扁鋼12Cr1MoV/δ6mm。

（1）材料的焊接性 影響焊接性的最主要因素是金屬材料的化學成分和組織，同時也與焊接工藝及使用條件等因素密切相關。TP347H與12Cr1MoV鋼的化學成分及力學性能如表1與表2所示。

其中TP347H為奧氏體不鏽鋼，焊接性良好；12Cr1MoV為鐵素體+珠光體耐熱鋼，碳當量Ceq=0.62%，焊接性相對較差。12Cr1MoV與TP347H的金相組織如圖1、圖2所示。

表1 母材的化學成分（質量分數） （%）

材質C Mn P S Si Cr Ni Mo V TH347H 0.04～0.10≤2.00≤0.045≤0.030 ≤1.00 17.00～19.00 9～13— —12Cr1MoV 0.08～0.15 0.4～0.7≤0.035≤0.035 0.17～0.37 0.90～1.20—0.25～0.35 0.15～0.30

表2 母材的常溫力學性能

材質σb/ M P a σs/ M P a A（%）T H 3 4 7 H≥5 1 5≥4 8 0≥2 0 5≥3 5 1 2 C r 1 M o V≥2 5 5≥2 1

圖1 12Cr1MoV的金相組織

圖2 TP347H的金相組織

（2）異種鋼焊接特點及存在的問題 異種鋼焊接接頭兩側的母材部分存在著一系列較大的差異，無論是在物理性能還是化學性能方面。因此會有一系列區別於同種鋼焊接的特點：化學成分、組織、性能、應力場的不均勻性及焊後熱處理的難處理性，進而導致裂紋、殘餘應力大、脫碳層軟化及增碳層硬化等諸多缺陷。因此異種鋼的焊接比起同種鋼而言更加困難，考慮的因素更加複雜。

（3）焊接材料的選定 根據異種鋼焊接選材原則及舍夫勒組織圖，同時考慮節約成本，本公司優先選用H12Cr24Ni13（ER309）不鏽鋼焊絲，希望得到A+F（奧氏體+鐵素體）雙相焊縫組織，以減少焊縫開裂幾率。焊絲化學成分如表3所示。

（1）焊接工藝評定 按照GB/T16507—2013《水管鍋爐》，產品施焊前先進行焊接工藝評定，來檢測角焊縫宏觀金相及角焊縫熔深。我公司採用熔化極氣體保護焊（GMAW）焊接三身管（三根管子+兩件扁鋼）試件進行試驗。焊接參數：上槍：I=200～220A，U=25～27V；下槍：I=180～200A，U=23～25V，v=65～70cm/min，氣體配比為Ar：85%，CO2：15%。焊接方式如圖3所示。

焊接完畢後鋸切試件進行角焊縫宏觀金相觀察，結果發現在下槍的焊縫橫截面區沿焊縫根部有肉眼可見橫向裂紋，而上槍焊接的焊縫完好，裂紋腐蝕前與腐蝕後的形態如圖4、圖5所示。

從圖中可看出，裂縫位於焊縫區，裂縫的外觀呈鋸齒形，它的走向與結晶時的等溫面相垂直，屬於熱裂紋，焊縫區組織構成為：奧氏體+少量鐵素體。

（2）試驗分析 TP347H和12Cr1MoV兩者相焊，由於在化學成分、力學性能、金相組織存在很大的差別，以及試件自身結構特點，都對焊接接頭會產生很大的影響。

第一，由於兩種鋼的線膨脹係數相差很大，焊接時會產生較大的殘餘應力，焊縫承受拉應力，珠光體母材承受壓應力。

第二，由於採用H12Cr24Ni13高合金奧氏體不鏽鋼焊接材料，珠光體母材對焊縫稀釋，有害元素會過多地滲入 熔池及熔合區，容易形成低熔點液態薄膜。

第三，由於膜式壁焊機特點：上、下槍不同步，上槍先焊，焊縫自由變形，而下槍焊接滯後，焊縫冷卻收縮變形時，拘束應力加大，所以焊縫根部未焊透處容易產生應力集中。

上述原因導致在下槍焊縫根部開裂，並延伸形成明顯的裂紋缺陷。

（3）重新擬定工藝評定方案 第一，控制熔合比減少稀釋：為減少珠光體母材對焊縫稀釋，12Cr1MoV扁鋼兩側開V形坡口，減小12Cr1MoV側熔合比。就坡口而言，不開坡口的母材焊接第一層焊縫熔合比最大。

第二，降低應力和應變：採用全焊透結構，減小接頭根部應力集中，增大焊縫承載面積。

焊接結構如圖6所示。

重新進行焊接試驗，所採用的焊接參數為：I上=180～200A ，I下=170～190A ，U=22～24V，v=47～48cm/min，角焊縫宏觀金相及角焊縫熔深檢測全部合格。採取新的焊接工藝後試件的金相組織如圖7、圖8所示。

表3 H12Cr24Ni13焊絲化學成分（質量分數） （%）

C Mn P S Si Cr Ni Cu≤0.12 1.0～2.5≤0.03≤0.03 0.30～0.65 23.0～25.0 12.0～14.0≤0.75

圖3 膜式壁焊接示意

圖4 裂紋為未腐蝕形態

圖5 裂紋腐蝕形態

由圖可以看出：12Cr1MoV側兩邊熱影響區組織是由鐵素體+貝氏體組成；焊縫區組織是由奧氏體+少量鐵素體組成。新工藝焊後的試件組織構成符合要求。

保證扁鋼全焊透是減少焊縫開裂的主要因素，因此在產品焊接前向扁鋼生產廠家定製有坡口扁鋼。新擬定的焊接工藝成功解決了生產過程中TP347H與12Cr1MoV異種鋼膜式壁焊接所產生的裂紋問題 。因此，只要採取合理的材料與工藝，並嚴格執行工藝方案與要求，控制焊縫的熔合比，降低應力與應變，便能生產出合格的產品。

圖6 焊接結構示意

圖7 12Cr1MoV熱影響區組織

圖8 焊縫區組織

作者簡介：韓玉梅，泰安市泰山集團股份有限公司。