焊后熱處理對(duì)A_F異種鋼焊接接頭影響的試驗(yàn)研究

1、第31卷第2期1998年4月武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào)J.WuhanUniv.ofHydr.&Elec.Eng.Vol.31No.2Apr.1998焊后熱處理對(duì)A/F異種鋼焊接接頭影響的試驗(yàn)研究*楊厚君(華中電力集團(tuán)公司)曹 晟 呂文廣 章應(yīng)霖(動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院)摘要 對(duì)焊態(tài)和焊后熱處理兩種狀態(tài)下的A/F異種鋼焊接接頭的殘余應(yīng)力進(jìn)行了實(shí)測(cè).通過(guò)高溫加速模擬試驗(yàn),對(duì)加速前后試樣的碳分布、組織結(jié)構(gòu)、硬度值的變化以及抗腐蝕能力進(jìn)行了試驗(yàn)分析和對(duì)比,得出了適當(dāng)溫度的焊后熱處理對(duì)改善A/F異種鋼焊接接頭使用狀況是有積極作用的這一結(jié)論.關(guān)鍵詞 焊后熱處理;異種鋼焊接;試驗(yàn)中圖法分類號(hào) TG457 11

2、80年代以來(lái),我國(guó)自己生產(chǎn)或引進(jìn)的發(fā)電裝備中已普遍存在著奧氏體不銹鋼和鐵素體類耐熱鋼的異種鋼焊接,1Cr19Ni11Nb(ASME規(guī)范中的SA213-TP347H,下稱 TP347H )和12Cr2MoWVTiB(簡(jiǎn)稱 鋼102 ,下稱 R102 )就是其中典型的一種.根據(jù)國(guó)外的經(jīng)驗(yàn),A/F異種接頭高溫服役10萬(wàn)h后,便開始出現(xiàn)早期失效1.國(guó)內(nèi)動(dòng)力裝備(如過(guò)熱器、再熱器)最初開始使用的A/F異種接頭也都很快接近10萬(wàn)h的服役期.對(duì)于這類接頭,母材R102是一種淬硬傾向較大的鋼種,它的焊接接頭一般需經(jīng)過(guò)焊后高溫回火來(lái)改善接頭熱影響區(qū)組織.但對(duì)于鍋爐受熱面薄壁管( <6mm),電力部規(guī)程中允

3、許不作焊后熱處理.此外,對(duì)于TP347H奧氏體不銹鋼,也不希望作回火性質(zhì)的熱處理,而且對(duì)于異種鋼接頭,焊后熱處理并不能消除殘余應(yīng)力.那么,是否應(yīng)該明確認(rèn)為焊后熱處理已無(wú)必要呢?另一方面可以預(yù)計(jì),焊后熱處理必然影響熱影響區(qū)碳和碳化物的存在形式和分布,而蠕變損傷與第二相析出有關(guān).那么,焊后熱處理也必然會(huì)對(duì)異種接頭的早期失效帶來(lái)影響.由此可見,對(duì)于R102與TP347H等奧氏體不銹鋼的異種鋼接頭,焊后是否作高溫回火熱處理,以及具體的焊后熱處理制度存在著一定分歧.本文旨在通過(guò)對(duì)焊態(tài)和焊后熱處理對(duì)接頭殘余應(yīng)力分布的影響和高溫加速試驗(yàn)前后的組織性能的分析比較,研究適當(dāng)?shù)暮负鬅崽幚韺?duì)A/F異種鋼焊接接頭高溫

4、性能的影響,為焊接工藝優(yōu)化提供依據(jù).1 焊接材料及焊接工藝的選擇1.1 試驗(yàn)材料試驗(yàn)材料選擇的是SA213-TP347H奧氏體不銹鋼和國(guó)產(chǎn)多元強(qiáng)化低合金耐熱鋼R102、焊接材料為日本進(jìn)口的Inconel82焊絲,其化學(xué)成分和機(jī)械性能如表1.sb表1 試驗(yàn)用材料的化學(xué)成份和機(jī)械性能CSiMnPSCrNiTiMoVBNbFe(MPa)(MPa)50052063766612Cr2MoWVTiB0.100.540.560.0080.0051.860.470.090.600.300.0031(R102)0.120.570.590.0120.0061.900.480.100.640.330.0049TP3

5、47HInconel82(日本)0.070.491.700.0210.00418.1911.20.020.223.000.0020.00119.7772.50.300.71Cu0.012.431.42收稿日期:1997-04-01楊厚君,男,工學(xué)博士,從事金屬結(jié)構(gòu)強(qiáng)度理論與高溫材料延長(zhǎng)壽命技術(shù)的研究 華中電力集團(tuán)公司安全監(jiān)察部(430072)*湖南省電業(yè)重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目.第2期楊厚君等:焊后熱處理對(duì)A/F異種鋼焊接接頭影響的試驗(yàn)研究 571.2 焊接工藝本試驗(yàn)焊接方法選用脈沖TIG焊,同時(shí)控制層間溫度為室溫.焊接坡口型式選擇不留間隙70!角V型坡口型式,焊后熱處理溫度為760.人們發(fā)現(xiàn),用X射線比

6、盲孔法測(cè)得的焊接殘余應(yīng)力值偏低,有時(shí)可低100200MPa3,這是一個(gè)不小的數(shù)值.因此,我們選擇了全釋放方法,對(duì)170mm的異種接頭進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試,如圖1 將對(duì)焊縫兩側(cè)鋼管沿軸向各分成3個(gè)區(qū)域,并沿管外壁4等分,從而對(duì)接管子被均分成24個(gè)區(qū)域 然后每一區(qū)域粘貼一1mm#1mm的應(yīng)變花,具體測(cè)點(diǎn)分布見圖1.表面測(cè)點(diǎn)附近的軸向應(yīng)力 AX與周向應(yīng)力 H的計(jì)算可根據(jù)文獻(xiàn)4進(jìn)行.2 試驗(yàn)方法2.1 殘余應(yīng)力試驗(yàn)測(cè)量焊接殘余應(yīng)力的方法常見的有X射線法、盲孔法和全釋放法(切條法).就可靠性和精確度講,全釋放法的精確度最好2.通過(guò)大量試驗(yàn),圖1 殘余應(yīng)力的測(cè)點(diǎn)分布圖及應(yīng)變花示意圖2.2 高溫模擬工況加速試驗(yàn)為了

7、模擬運(yùn)行中的接頭實(shí)際情況,試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種模擬加速試驗(yàn).試驗(yàn)方法是將異種鋼接頭的管子做成一個(gè)小型的密閉容器,兩端分別用與奧氏體不銹鋼和鐵素體鋼同種材料的板材封閉(見圖2).封口前加入一定量的蒸餾水,將這種帶有蒸餾水的封口管子放入箱式爐中加熱,在較高溫度下水全部汽化成水蒸汽,產(chǎn)生的壓力可由范德瓦爾斯方程計(jì)算:(P+-2圖2 試驗(yàn)溫度循環(huán)2.3 碳遷移測(cè)量方法)(V-b)=RT V2-63-1(1)利用日本JEDX、JXA-8800Reletroprobemi croanalyzer(電子探針顯微分析儀)對(duì)異種接頭試樣進(jìn)行焊縫熔合線兩側(cè)碳元素的宏觀線分析.采用強(qiáng)度計(jì)數(shù)的方法,計(jì)數(shù)點(diǎn)步長(zhǎng)為0.5 m,

8、在R102熔合線兩側(cè)共測(cè)量5.0mm的距離.強(qiáng)度計(jì)數(shù)點(diǎn)共9999個(gè).式中:a、b為常數(shù).對(duì)水蒸汽:a=5.74#10-6m6atmmol,b=30.5#10mmol.溫度循環(huán)可以用爐溫控制,爐溫控制精度為%1.接頭的殘余應(yīng)力、熱應(yīng)力及蒸汽工作壓力都可以較為真實(shí)地反映實(shí)際運(yùn)行狀況.運(yùn)用拉森&米勒公式,不難得出溫度與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系.在實(shí)驗(yàn)條件下,用提高溫度的方法加速試驗(yàn),試驗(yàn)溫度為650,溫度循環(huán)見圖2.設(shè)計(jì)管長(zhǎng)約220mm.經(jīng)計(jì)算,在650下,加3 試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1 殘余應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果及分析焊態(tài)及760/90min的焊后熱處理接頭殘余應(yīng)力分布見圖3 由圖3可以看出:58 武漢水利電力大

9、學(xué)學(xué)報(bào)1998(1)接頭外表面軸向殘余應(yīng)力在R102側(cè)為拉應(yīng)力,在TP347H側(cè)為壓應(yīng)力;(2)PWHT前后的焊接殘余應(yīng)力分布形狀大致相符;(3)經(jīng)PWHT后接頭的應(yīng)力峰值只為焊態(tài)時(shí)的50%,且遠(yuǎn)低于接頭的屈服極限;(4)R102與TP347H的異種鋼接頭的焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)寬度大致在80mm范圍內(nèi).焊態(tài)異種鋼接頭軸向殘余應(yīng)力的軸向分布(左側(cè)為鋼102,右側(cè)為TP347H)異種鋼接頭經(jīng)760!C/1h熱處理后軸向應(yīng)力的軸向分布(左側(cè)為鋼102,右側(cè)為TP347H)圖3 焊態(tài)及焊后熱處理對(duì)接頭殘余應(yīng)力影響3.2 碳遷移試驗(yàn)結(jié)果和分析對(duì)焊態(tài)(AW)、焊后熱處理(PWHT,760/60min)、高溫模擬

10、加速試驗(yàn)1924h(AW、PWHT)共4個(gè)試樣進(jìn)行了R102側(cè)熔合線兩側(cè)的碳分布狀態(tài)的測(cè)量.從試驗(yàn)結(jié)果5可看出:焊態(tài)試樣熔合線兩側(cè)呈現(xiàn)出明顯的強(qiáng)度(與成分呈線性關(guān)系)梯度,R102母材側(cè)距熔合線0.2mm左右出現(xiàn)第一個(gè)碳分布的峰值.這與顯微硬度試驗(yàn)結(jié)果是一致的.盡管焊后熱處理試樣R102熔合線兩側(cè)碳的峰值及梯度現(xiàn)象仍然存在,但比焊態(tài)要低.經(jīng)過(guò)焊后熱處理的試樣,加速試驗(yàn)后,熔合線兩側(cè)的碳分布的梯度和峰值均較焊態(tài)加速后的試樣要低.3.3 金相、電子顯微分析與顯微硬度試驗(yàn)結(jié)果及分析對(duì)焊態(tài)、焊后熱處理的原始金相組織以及加速試驗(yàn)后接頭的金相組織進(jìn)行了觀察 結(jié)果發(fā)現(xiàn),焊后熱處理的試樣中開始有彌散分布的碳化

11、物析出,如圖4.經(jīng)過(guò)650下890h和1924h試驗(yàn)后,焊態(tài)試樣和焊后熱處理試樣在熔合線附近均有碳化物析出,但析出密度不同.焊態(tài)試樣在R102側(cè)熱影響區(qū)的晶界和晶內(nèi)都有大量碳化物析出,熔合線界面碳化物析出量較多,分布也很密集,部分熔合線界面上的碳化物呈鏈狀分布.而焊后熱處理的試樣經(jīng)890h和1924h試驗(yàn)后,熔合線附近也分布有碳化物,但析出量較焊態(tài)少,熔合線界面上的碳化物分布也較彌散.更值得注意是:經(jīng)加速試驗(yàn)1924h的焊態(tài)試樣,不僅在熔合線和原奧氏體晶界上出現(xiàn)蠕變孔洞,而且在晶內(nèi)的板條之間,一個(gè)個(gè)的孔洞已開始聚集形成孔洞鏈,如圖5. 從對(duì)加速試驗(yàn)890h、1924h的AW和PWHT試樣進(jìn)行的

12、電子顯微分析,也發(fā)現(xiàn)熔合線圖4 PWHT(760/60min) 圖5 AW(1924h)晶內(nèi)板條間出現(xiàn)了孔洞鏈第2期楊厚君等:焊后熱處理對(duì)A/F異種鋼焊接接頭影響的試驗(yàn)研究 59和原奧氏體晶界上,AW試樣的蠕變孔洞不僅比PWHT試樣密集,而且孔洞尺寸也大,如圖6、7.持久強(qiáng)度試驗(yàn)反映了10萬(wàn)h以后,PWHT試樣的持久斷裂強(qiáng)度開始超過(guò)AW試樣,而且隨著時(shí)間的增長(zhǎng),兩者的差值越益明顯6. AW、PWHT試樣以及加速試驗(yàn)1924h的AW和PWHT試樣的顯微硬度測(cè)試結(jié)果如圖8所示.圖6 AW+650/1924h 圖7 PWHT+650/1924h(a) AW (b)PWHT(c) AW+650/192

13、4h (d) PWHT+650/1924h圖8 顯微硬度(HV)試驗(yàn)結(jié)果從圖中可以看出,焊態(tài)試樣在650下加熱,R102側(cè)HAZ的硬度呈明顯下降趨勢(shì).隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng),這種趨勢(shì)變得平緩.焊后熱處理使界面附近硬度明顯低于AW試樣.在隨后的650長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)中,硬度也逐漸減小,下降的趨勢(shì)比焊態(tài)試樣平緩.經(jīng)過(guò)650、1924h后,AW和PWHT試樣的硬度變化趨于一致.3.4 接頭耐蝕性試驗(yàn)結(jié)果及分析對(duì)奧氏體不銹鋼,760的高溫回火,可能會(huì)因鉻的碳化物析出而降低耐蝕性能 因此,焊后熱處理對(duì)奧氏體不銹鋼側(cè)會(huì)有不利影響.本文通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),焊后熱處理使接頭的耐腐60 武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào)1998蝕性能有所下

14、降,但沒(méi)有明顯的晶間腐蝕傾向.焊態(tài)試樣和焊后熱處理試樣用C法進(jìn)行的耐腐蝕性能評(píng)定等級(jí)均為一級(jí).由此可以看出:采用脈沖TIG工藝焊接的接頭,經(jīng)過(guò)760、1h的焊后熱處理不致造成明顯的晶間腐蝕傾向.不過(guò),為了避免不銹鋼在晶間腐蝕敏化溫度停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng),焊后熱處理時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng).早期脆性失效的作用.(4)焊后熱處理不會(huì)造成明顯的晶間腐蝕傾向.參考文獻(xiàn)1 RobertsDI,ViswanathanR Dissimilarweldmentsinfos sil firedpowerplanttechnicaloverview.Proceedingssemi narondissimilarweldinfossi

15、l fired,1985.2 日米谷茂著.殘余應(yīng)力的產(chǎn)生與對(duì)策.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1983.3 王維容.關(guān)于焊接殘余應(yīng)力測(cè)試方法的研究.焊接學(xué)報(bào),1989,10(3):1811874 趙清澄等編.實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析.北京:科學(xué)出版社,1987.5 楊厚君.異種鋼焊接接頭碳遷移狀態(tài)辯識(shí)與焊接工藝因素對(duì)接頭高溫性能影響的研究:學(xué)位論文.武漢:武漢水利電力大學(xué),1997.6 章應(yīng)霖等.電站F/A異種鋼接頭早期失效及其防治措施.武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào),1998,31(1):83874 結(jié) 論(1)焊后熱處理對(duì)消除異種接頭的淬硬傾向取到了積極作用.(2)焊后熱處理可以取到調(diào)整異種接頭殘余應(yīng)力的作用,盡管不能

16、完全消除接頭殘余應(yīng)力,但對(duì)接頭的應(yīng)力狀態(tài)有利.(3)焊后熱處理抑制了蠕變孔洞的早期形核聚集和長(zhǎng)大,可以取到延長(zhǎng)接頭的服役壽命和防止TheTestingandResearchingabouttheEffectofPostweldHeatTreatmentonA/FDissimilarMetalWeldedJointsYangHoujun(CentralChinaPowerGroupCo.)CaoSheng LuWenguang ZhangYinlin(CollegeofPowerandMechanicalEngineering)Abstract TheresidualstressesofA/Fdissimilarmetalweldedjointsoftwoconditionsofas weldedandpost weldheattreatmentweremeasured.Andcarbonredistributions,structures,hardnessesandtheabilitiesofanti corrosionwereanalys