论文部分内容阅读
[摘 要]本文简述了锅炉安装过程中及设备检修生产中珠光体耐热钢的性能和焊接特点，并介绍了锅炉安装过程中及设备检修生产中珠光体耐热钢焊接的实例。
[关键词]锅炉安装，珠光体耐热钢，焊接
中图分类号：TD353.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）14-0182-01
1、珠光体耐热钢的性能概述
锅炉设备中许多零部件都是在高温高压和腐蚀介质中长期工作，例如电站锅炉的过热器管子，外部是高温烟气，内部是高压蒸汽，管壁温约为630℃，在这样高的温度下长期使用，与金属在常温工作的情况很大的不同，它会造成刚材的组织发生变化，容易发生氧化和腐蚀。同是，既使钢材所受的应力低于该材料在该温度下的屈服强度。在这样的应力长期作用下，也会发生缓慢而连续的塑性变形，即所谓的“蠕变”现象。另外，由于温度增高，很容易发生变形和破坏。而珠光体耐热钢正是针对这种工况，在冶炼是有目的地加入Cr、Mo、V、W、B、Ti等元素，使材料具有很高的高温组织稳定性，热强性以及蠕变极限。保证了材料在高温下工作时间的稳定性和安全性。
锅炉设备中的过热器蛇形管、集箱、主蒸汽系统的管道等部件常用的珠光体耐热钢材料有：12Cr1MoV、12CrMo、15CrMo等，这些钢材不仅具有良好的抗氧化性和热强性，还具有比较好的抗硫腐蚀和抗氧腐蚀的性能。并且由于合金元素含量少，价格便宜，同时又具有良好工艺性能和物理性能，但其可焊性较差，因此，在焊接过程中要严格控制焊接材料的选择、预热和焊后热处理。
2、珠光体耐热钢的焊接工艺特点
在锅炉的安装工程及设备检修工作中，有大量珠光体耐热钢的焊接工作，因此，针对珠光体耐热钢的特点及锅炉设备的工作条件，合理地选用焊接材料并制定出合适的焊接工艺对生产工作十分重要。
2.1 珠光体耐热钢的主要焊接性问题
珠光体耐热钢焊接时的主要问题有近缝区的硬化和冷裂纹，热影响区的软化。以及焊后处理或焊后长期高温使用时再热裂纹等问题。
利用国际焊接学会的碳当量（C1）公式也可以粗略估计珠光体耐热钢的淬硬倾向及可焊性，以12Cr1MoV为例。
CE=C+1/6Mn+1/15Cn+1/15Ni+1/5Cr+1/5Mo+1/5V=0.12+0.6/6+0+1+0.3+0.25/5=0.12+0.1+0.31=0.53。
碳当量CE>0.5也就是说12Cr1MoV钢具有一定的淬硬倾向。可焊性较差，焊接时需采取预热和焊后热处理等防止产生冷裂纹的措施。
2.2 焊接方法的选择
在锅炉安装工程和生产检修工作中，一般要求采用无极氩弧焊打底，手工电弧焊盖面的方法焊接珠光体耐热钢，对小口径焊口，也可采用全氩弧焊接。为保证内部焊接质量，氩弧焊打底用内填丝法，以使打底内部焊缝平滑过渡，焊缝没有超高现象。
2.3 焊接材料的选择
焊缝的组织和性能，在很大程度上取决于焊接材料，珠光体耐热钢通常要求焊缝成分与母材尽量一致，以保证焊缝各项性能匹配，并具有必要的热强性。但同时，为防止焊缝有较大的热裂倾向。焊缝含碳量往往要比母材略低一些，这可能造成焊缝的机械性能比母材略低，但只要焊接材料选择适当，焊缝的性能是可以和母材匹配的。
另外，在补焊缺陷或焊后不能进行热处理时，也可考虑选用奥氏体钢焊接材料，使用奥氏体焊条可以避免焊后由于无法热处理而产生冷裂纹，并保证焊缝有足够的强度和塑性。但是，由于奥氏体焊缝的导热系数与热膨胀率与珠光体母材相差非常大，因此，焊接接头在受热和冷却过程中都会产生很大的热应力。而且在高温下长期工作时，还会发生碳元素的迁移，从而易导致熔合线附近发生脱碳现象，造成机械性能下降。因此，选用奥氏体焊条时，一定要根据实际情况慎重考虑。
珠光体耐热钢焊口焊接时，通常应选用堿性低氢型焊条，因为这类焊条的电弧吹力大，熔深大，焊缝金属的含氢量低，不易产生冷裂纹，加之焊缝的合金元素烧损少，焊缝合金化效果好，所以焊缝金属的综合性能也高。但是，低氢型焊条对锈、水、油污等污物比较敏感，且容易吸潮。因此，焊接前一定要将焊口附近打磨清理干净，并且焊条使用前一定要按要求烘干，烘干温度一般为350℃～400℃恒温1.5～2小时，烘干后的焊条放入保温桶随用随取。
2.4 焊接参数选定
选择焊接电流要根据焊件厚度、焊条直径、焊件接头型式等因素来决定，电流过大容易使药皮发红，合金元素烧损，保护效果下降，焊缝性能下降，电流过小易造成夹渣、未熔合等缺陷。因此。选择合适的电流非常重要。
为防止冷裂纹，消除近缝区硬化现象，必须严格控制预热温度和焊后热处理的温度。预热和焊后热处理不仅可以改善焊缝组织，减少焊接残余应力。同时，也可以消除扩散氢的含量有利于减少冷裂纹倾向。
3 珠光体耐热钢焊接实例
锅炉机组蒸汽参数为450℃，3.82Mpa，过热蒸汽管道检修更换，具体焊接工业如下：
3.1 母材：管￠42mm×4mm材质12Cr1MoV（垂直固定）。
3.2 焊接方法：钨极氩弧焊打底，手工电弧焊盖面（SMAW/GTAW）
3.3 焊接材料：TIG-P231￠0.8mm电焊条：热317￠2.5～￠3.2mm钨棒：Wco-20￠2.5mm
3.4 焊接电流：氩弧焊打底，80～90A直流正接填充层电流80～120A直流反接
3.5 工艺要求：“V”型坡口坡口角度：a=60～70°
钝边厚度P=1～1.5mm对口间隙：b=2～3mm
要求管壁内处10～15mm处打出金属光泽，坡口内无锈、水、油及其它污物。焊前预热，预热温度250～350℃，焊接完成后，立即将焊口用石棉绳缠绕，使其缓冷，而后进行热处理，热处理温度为730℃左右。
4 焊后检验
经外观检查，焊缝表面质量良好，经100%X射线探伤检查，焊缝全部合格。
5 结论
该材质的焊接关键是预防焊接裂纹的产生，合适的组对方法和预热方法可提高焊接效率：
5.1 严格控制预热和层间温度，温度如果下降过快，或相近的两个区域温差过大，12Cr1MoV在焊接时就极易产生裂纹；
5.2 焊接工艺参数要控制均匀和稳定；
5.3 焊接过程不得间断，并全程监控焊接设备的运行；
5.4 清渣要彻底。
实践证明按照该焊接工艺完成焊接接头完全符合设计要求所制定的焊接工艺方案是合理可行的。
参考文献
[1] 清华大学陈伯蠡《金属焊接性基础》机械工业出版社，1982年.
[2] 周振丰，任家烈，金属熔焊原理及工艺（下册）。北京出版社，1981年.
[3] 斯重遥，周振丰，钱百年，焊接手册（材料焊接的分册）。北京机械工业出版社，2001年.
[关键词]锅炉安装，珠光体耐热钢，焊接
中图分类号：TD353.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）14-0182-01
1、珠光体耐热钢的性能概述
锅炉设备中许多零部件都是在高温高压和腐蚀介质中长期工作，例如电站锅炉的过热器管子，外部是高温烟气，内部是高压蒸汽，管壁温约为630℃，在这样高的温度下长期使用，与金属在常温工作的情况很大的不同，它会造成刚材的组织发生变化，容易发生氧化和腐蚀。同是，既使钢材所受的应力低于该材料在该温度下的屈服强度。在这样的应力长期作用下，也会发生缓慢而连续的塑性变形，即所谓的“蠕变”现象。另外，由于温度增高，很容易发生变形和破坏。而珠光体耐热钢正是针对这种工况，在冶炼是有目的地加入Cr、Mo、V、W、B、Ti等元素，使材料具有很高的高温组织稳定性，热强性以及蠕变极限。保证了材料在高温下工作时间的稳定性和安全性。
锅炉设备中的过热器蛇形管、集箱、主蒸汽系统的管道等部件常用的珠光体耐热钢材料有：12Cr1MoV、12CrMo、15CrMo等，这些钢材不仅具有良好的抗氧化性和热强性，还具有比较好的抗硫腐蚀和抗氧腐蚀的性能。并且由于合金元素含量少，价格便宜，同时又具有良好工艺性能和物理性能，但其可焊性较差，因此，在焊接过程中要严格控制焊接材料的选择、预热和焊后热处理。
2、珠光体耐热钢的焊接工艺特点
在锅炉的安装工程及设备检修工作中，有大量珠光体耐热钢的焊接工作，因此，针对珠光体耐热钢的特点及锅炉设备的工作条件，合理地选用焊接材料并制定出合适的焊接工艺对生产工作十分重要。
2.1 珠光体耐热钢的主要焊接性问题
珠光体耐热钢焊接时的主要问题有近缝区的硬化和冷裂纹，热影响区的软化。以及焊后处理或焊后长期高温使用时再热裂纹等问题。
利用国际焊接学会的碳当量（C1）公式也可以粗略估计珠光体耐热钢的淬硬倾向及可焊性，以12Cr1MoV为例。
CE=C+1/6Mn+1/15Cn+1/15Ni+1/5Cr+1/5Mo+1/5V=0.12+0.6/6+0+1+0.3+0.25/5=0.12+0.1+0.31=0.53。
碳当量CE>0.5也就是说12Cr1MoV钢具有一定的淬硬倾向。可焊性较差，焊接时需采取预热和焊后热处理等防止产生冷裂纹的措施。
2.2 焊接方法的选择
在锅炉安装工程和生产检修工作中，一般要求采用无极氩弧焊打底，手工电弧焊盖面的方法焊接珠光体耐热钢，对小口径焊口，也可采用全氩弧焊接。为保证内部焊接质量，氩弧焊打底用内填丝法，以使打底内部焊缝平滑过渡，焊缝没有超高现象。
2.3 焊接材料的选择
焊缝的组织和性能，在很大程度上取决于焊接材料，珠光体耐热钢通常要求焊缝成分与母材尽量一致，以保证焊缝各项性能匹配，并具有必要的热强性。但同时，为防止焊缝有较大的热裂倾向。焊缝含碳量往往要比母材略低一些，这可能造成焊缝的机械性能比母材略低，但只要焊接材料选择适当，焊缝的性能是可以和母材匹配的。
另外，在补焊缺陷或焊后不能进行热处理时，也可考虑选用奥氏体钢焊接材料，使用奥氏体焊条可以避免焊后由于无法热处理而产生冷裂纹，并保证焊缝有足够的强度和塑性。但是，由于奥氏体焊缝的导热系数与热膨胀率与珠光体母材相差非常大，因此，焊接接头在受热和冷却过程中都会产生很大的热应力。而且在高温下长期工作时，还会发生碳元素的迁移，从而易导致熔合线附近发生脱碳现象，造成机械性能下降。因此，选用奥氏体焊条时，一定要根据实际情况慎重考虑。
珠光体耐热钢焊口焊接时，通常应选用堿性低氢型焊条，因为这类焊条的电弧吹力大，熔深大，焊缝金属的含氢量低，不易产生冷裂纹，加之焊缝的合金元素烧损少，焊缝合金化效果好，所以焊缝金属的综合性能也高。但是，低氢型焊条对锈、水、油污等污物比较敏感，且容易吸潮。因此，焊接前一定要将焊口附近打磨清理干净，并且焊条使用前一定要按要求烘干，烘干温度一般为350℃～400℃恒温1.5～2小时，烘干后的焊条放入保温桶随用随取。
2.4 焊接参数选定
选择焊接电流要根据焊件厚度、焊条直径、焊件接头型式等因素来决定，电流过大容易使药皮发红，合金元素烧损，保护效果下降，焊缝性能下降，电流过小易造成夹渣、未熔合等缺陷。因此。选择合适的电流非常重要。
为防止冷裂纹，消除近缝区硬化现象，必须严格控制预热温度和焊后热处理的温度。预热和焊后热处理不仅可以改善焊缝组织，减少焊接残余应力。同时，也可以消除扩散氢的含量有利于减少冷裂纹倾向。
3 珠光体耐热钢焊接实例
锅炉机组蒸汽参数为450℃，3.82Mpa，过热蒸汽管道检修更换，具体焊接工业如下：
3.1 母材：管￠42mm×4mm材质12Cr1MoV（垂直固定）。
3.2 焊接方法：钨极氩弧焊打底，手工电弧焊盖面（SMAW/GTAW）
3.3 焊接材料：TIG-P231￠0.8mm电焊条：热317￠2.5～￠3.2mm钨棒：Wco-20￠2.5mm
3.4 焊接电流：氩弧焊打底，80～90A直流正接填充层电流80～120A直流反接
3.5 工艺要求：“V”型坡口坡口角度：a=60～70°
钝边厚度P=1～1.5mm对口间隙：b=2～3mm
要求管壁内处10～15mm处打出金属光泽，坡口内无锈、水、油及其它污物。焊前预热，预热温度250～350℃，焊接完成后，立即将焊口用石棉绳缠绕，使其缓冷，而后进行热处理，热处理温度为730℃左右。
4 焊后检验
经外观检查，焊缝表面质量良好，经100%X射线探伤检查，焊缝全部合格。
5 结论
该材质的焊接关键是预防焊接裂纹的产生，合适的组对方法和预热方法可提高焊接效率：
5.1 严格控制预热和层间温度，温度如果下降过快，或相近的两个区域温差过大，12Cr1MoV在焊接时就极易产生裂纹；
5.2 焊接工艺参数要控制均匀和稳定；
5.3 焊接过程不得间断，并全程监控焊接设备的运行；
5.4 清渣要彻底。
实践证明按照该焊接工艺完成焊接接头完全符合设计要求所制定的焊接工艺方案是合理可行的。
参考文献
[1] 清华大学陈伯蠡《金属焊接性基础》机械工业出版社，1982年.
[2] 周振丰，任家烈，金属熔焊原理及工艺（下册）。北京出版社，1981年.
[3] 斯重遥，周振丰，钱百年，焊接手册（材料焊接的分册）。北京机械工业出版社，2001年.