12Cr2MoWVTiB贝茵体热强钢的焊接

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［摘要］ 本文主要介绍热力发电设备中逐渐推广使用的12cr2mowvtib钢的性能，并提出了手工电弧焊焊接工艺和合理的热处理规范。

［关键词］ 淬火； 回火； 贝茵体； 固溶体； 铁素体； 空冷； 相变温度； 软化带

doi : 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2012 . 19. 038

［中图分类号］ F272 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1673 - 0194（2012）19- 0062- 02

随着我国高温高压大型发电机组的不断发展，对电站锅炉高温段过热器管和再热器管提出了较高的参数要求，由于使用温度在６００℃～６２０℃（瞬间温度则更高），珠光体耐热钢已满足不了技术条件的要求，所以开始采用贝茵体热强钢来取代珠光体耐热钢。

１２Ｃｒ２ＭｏＷＶＴｉＢ钢，简称“１０２”钢，是一种新型的低碳低合金贝茵体热强钢，具有良好的综合机械性能、工艺性能和热强性能，其热强性和使用温度超过国外同类型热强钢，在一定温度范围内达到了铬镍奥氏体钢的水平。

１ “１０２”钢的组织性能

“１０２”钢采用了固溶强化、稳定碳化物相和强化晶界等多种强化手段。“１０２”钢的热强性受成分影响较大，由于各种合金元素的适当配合，使它具有较高的热强性能，尤其是６００℃热强性较高。

为了保证具有一定的抗氧化性能，“１０２”钢中含有２％左右的Ｃｒ和较多的Ｓｉ。Ｃｒ除保证抗氧化性能外，也是固溶强化元素。此外，Ｍｏ、Ｗ也是固溶强化元素。而Ｔｉ、Ｖ是强烈的碳化物稳定元素，形成ＴｉＣ及Ｖ４Ｃ３等化合物，并与基体保持共格联系，提高了抗滑移变形能力，使碳化物相高度稳定，并且是均匀分布，从而保证了“１０２钢”稳定的弥散强化作用。由于Ｔi、Ｖ的存在，不易形成ＣｒＣ等化合物，这样Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ元素等便可充分进入固溶体，发挥其固溶强化作用，保证了钢的热强性，Ｂ是强化晶界、保证高温热强性能的重要元素，这对提高碳化物稳定性是有利的。另一作用是更强地提高钢的淬透性，使其连续转变曲线的上鼻部明显右移，从而扩大了稳定的奥氏体区，使“１０２”钢比较容易得到贝茵体组织，改善了热处理工艺。由于钢中的Ｃ原子以间隙固溶存在，对高温蠕变有不利影响。而为了达到足够的弥散强化作用，又必须有一定的含碳量，因此规定了低碳范围。 为了保证“１０２”钢的热强性能，要求经奥氏体化后空冷得到贝茵体组织，不允许出现自由铁素体或网状铁素体。焊后，贝茵体组织的形成及其状态，在正火温度相同的条件下取决于冷却速度。

铁素体转变区温度是７３０℃～８４５℃，而贝茵体转变区温度是３５０℃～５３０℃。为了得到贝茵体组织，要求有一定的冷却速度并应避开铁素体转变区。

ＡＣ３温度以下（即９３０℃以下）是不能缓冷的，否则会出现铁素体组织。说明上述不同的冷却速度能得到不同的金属组织。焊后空冷，便可得到全部的贝茵体组织。

试验证明，在７００℃～１ ０００℃ 温度间的平衡冷却速度＞５０℃／分（相当于焊后常温下静止空气中的冷却速度），就可以抑制铁素体出现。

２ 可焊性

“１０２”钢含有较多的合金元素，合金元素Ｔｉ等会增大池黏度，降低熔池中气体的浮升速度，从而影响焊接工艺；Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等合金元素使Ｃ的扩散系数大大降低，增加了过冷奥氏体的稳定性，其结果是降低了铁素体形成速度，并在焊接的热作用下容易淬火，有可能出现脆硬的组织，以致形成裂纹。但由于“１０２”钢含有较强的碳化物形成元素Ｔｉ、Ｖ，使钢的淬火倾向有所改变。

３ 热处理工艺

根据“１０２”钢的焊接特点，其热处理规范应按如下规则进行：

（１） 由于焊接过程是急速的加热和冷却，导致近缝区产生脆性组织，使硬度值提高。

（２） 为保证焊接接头在高温压条件下长时间工作的热稳定性和持久塑性，热处理应不致引起贝茵体组织的变化（应选择ＡＣ１，８４５℃ 以下）。

（３） 热处理过程应保证基本金属原始机械性能，即使经过２～３次重复热处理也不应导致基本金属、焊缝和近缝区的软化。

（４） 回火温度应使近缝区第一类应力降低到最小值。

４ 热处理试验

（１） 焊后空冷不作任何处理的试样，其冷弯角度很小并且是脆断，热影响区硬度也较高，接头塑性很差，因此焊后必须作热处理。

（２） 焊后缓冷的焊接接头，经７８０℃保温３０分钟回火后，抗拉强度平均为5.39 × 106 Pa，虽已达到合格标准，但为抑制铁素体组织的形成，在Ａｒ１温度以上是不能缓慢冷却的。

（３） 焊后获得贝茵体组织的焊接接头，经７８０℃保温３０分钟回火能够消除接头应力，降低近缝区的硬度值，达到技术条件的要求。

（４） 回火的冷却速度和焊后的冷却速度一样，对接头组织性能有明显影响。焊接接头的热影响区总是存在一个过渡温度段，在此温度内铁素体易形成，晶粒易长大，形成软化带。因此回火保温后也必须采取空冷或在石棉中冷却。这说明“１０２”钢对过渡温度段，较一般低合金珠光体钢敏感。因此必须严格控制它的焊后热处理规范。

（５） 回火保温后缓冷的试样，在焊缝熔合线处出现了宽０．２毫米的脱碳层。这是由于较高的温度、缓慢的冷却条件，使碳原子扩散的结果。回火保温后空冷，就可以避免熔合线脱碳现象。

（６） 经１ ０３０℃高温退火试样，会形成大量的铁素体组织，造成接头软化，使强度和硬度明显下降。在高温条件下使用时，蠕变速度和持久塑性也下降得很快，必须严格掌握焊后及热处理的冷却速度，防止软化带和脱碳层的形成。

（７） 焊后缓慢冷却或空冷速度不够，均会不同程度地形成铁素体组织，它从奥氏体边界开始析出，先于贝茵体形成，因此称为先析铁素体。而在接头热影响区出现的铁素体，是由于焊接或热处理作用从贝茵体组织中分解出来的。它们对接头性能的影响是相同的，均应控制热处理规范加以避免。

（８） 经７５０℃回火的焊口硬度值，比７８０℃回火的焊口硬度值高ＨＲＣ３～６，对于保温时间较短的回火温度取７８０℃或７９０℃较为合适。为了提高“１０２”钢在使用温度下组织的稳定性、热强性和持久塑性，这种长时间使用的低合金钢回火温度，一般应比使用温度高１５０℃或更高。因此“１０２”钢的回火温度控制在７７０℃～７９０℃较为合适。

（９） 由于回火温度接近ＡＣ１温度，且回火温度范围很窄，因此不能采用火焰热处理。应采用仪表测温的电阻炉或感应加热方法进行接头的热处理。

５ 焊接工艺

（１） 由于“１０２”钢管使用温度高，选用热３４７焊条。

（２） 要求焊前预热至２５０℃～３００℃。预热能增加奥氏体的分解时间，降低近缝区的冷却速度，防止裂纹，减少应力。对于在低温下焊接以及焊大直径厚壁管，有必要进行预热。

（３） 针对“１０２”钢焊接熔池黏度较大的特点，为防止焊接缺陷，采取角度稍大的坡口是有利的，便于气体的排出。 采用７０°坡口张角、２．５～３毫米的对口间隙和０．５～１毫米的钝边。

（４） 为防止气孔产生，要按规定烘干焊条。并尽可能采取稳弧焊接法，尽力减少抬弧和熄弧，防止空气进入熔池形成气孔。

（５） 为防止点焊处裂纹，采取适当的焊点，焊点太小易形成裂纹，太大易焊不透。

（６） 在收弧时应填满弧坑，防止弧坑裂纹。

（７） 在更换焊条时，注意接头引弧熔合良好，使铁水良好过渡，以防止出现层间未焊透。

（８） 热处理后要进行硬度检查，焊缝和热影响区的ＨＢ≤３００。

（９） 为确保焊接质量，建议对接头进行１００％无损检查。

（１０） 焊前，焊工应按“火力发电厂承压管道焊接篇”的规定进行考试，并对焊接接头作金相和热处理后的硬度检查。