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            焊后熱處理對異種鋼換熱管對接焊縫的影響

            低合金鋼SA-213T22與鎳基合金Incoloy800H材料用于核電換熱設備的設計和制造,兩種材料之間的異種鋼對接焊縫的性能和質量是影響換熱設備性能和使用壽命的關鍵。通過試驗對比兩種材料異種鋼對接接頭焊態和熱處理態的金相組織變化和力學性能變化,了解焊后熱處理對異種鋼對接焊縫的性能影響,制訂合理的制造工藝,并成功應用于核電換熱設備異種鋼換熱管的焊接。

            鐵素體SA-213T22225Cr-1Mo)換熱管為低合金耐熱鋼,多用于鍋爐、過熱器的制造,具有耐高溫、持久等特點;鎳基合金SB-163UNSN08810Incoloy800H)換熱管為Ni-Cr-Fe系鎳基耐蝕合金,多用于制造蒸汽發生器傳熱管,具有高強度、耐高溫、焊接性能優異、耐腐蝕等特點。兩種材料的線膨脹系數、熱導率和磁導率不同,化學成分、金相組織及性能存在較大差異。兩種材料的換熱管對接焊縫為鐵素體鋼與奧氏體鋼的異種鋼焊縫,其存在以下幾個固有問題:高溫下或高溫長期運行后,焊接接頭區的力學性能(如拉伸、沖擊、彎曲等)性能劣于母材;受到兩側母材稀釋,接頭熱強性、抗腐蝕和抗氧化性能等降低,接頭殘余應力較大;焊后熱處理或高溫運行過程中,在焊縫邊界兩側出現富碳區和貧碳區,焊縫邊界及熱影響區附近易產生裂紋源等。SA-213T22SB-163UNSN08810異種鋼對接接頭中,焊縫金屬和SA-213T22側熱影響區將是最為薄弱的區域。

            目前,鐵素體鋼與奧氏體鋼異種鋼對接焊縫常采用堆焊鎳基或不銹鋼隔離層,并采用鎳基或不銹鋼材料進行填充。

            、德等國家早期在第四代核電高溫氣冷堆蒸汽發生器設計和研究過程中,225Cr-1Mo材料與Incoloy800H材料異種鋼對接焊縫進行試驗研究時,采用鎳--鐵鎳基合金作為過渡金屬進行對接接頭填充。

            1工藝材料及方法

            11試驗材料

            試驗選用19mm×3mm的鎳基合金SB-163UNSN08810Incoloy800H)和低合金耐熱鋼SA-213T22換熱直管,其中換熱管材質化學分析結果和力學性能結果分別見表1~3。

            12焊接試件制備

            選用長度為100150mmSA-213T22鋼和Incoloy800H換熱管直管,管端加工坡口。為了降低異種鋼對接焊縫T22鋼側熱影響區的成分稀釋,避免明顯的碳遷移現象,保證焊縫在高溫運行環境下的性能,異種鋼換熱管焊縫采用填充ERNiCr-3過渡金屬的焊接接頭形式。焊接時,采用焊縫正面氦氣保護,焊縫背面氬氣保護的自動鎢極氬弧焊工藝。

            依據ASMEBPVC-第一冊NB分卷要求,對于SA-213T22換熱管(P-No5A)材料焊接后需要進行675760℃,不少于30min的焊后熱處理,與此同時,對于名義厚度t13mm,名義直徑100mm,檢測的wCr300,wC015的管對接焊縫可以通過焊前預熱(150℃)免除強制性焊后熱處理。

            焊接試驗分為2:一組對接試件采用焊前預熱,焊后不進行焊后熱處理的焊接工藝(后稱焊態試件)。另外一組對接試件采用焊前不預熱,焊后局部熱處理的焊接工藝(后稱熱處理態試件)。

            121焊態試件

            選取第1組對接試件,焊前完成試件清理和組對裝配后,通過火焰加熱的方式,將試件預熱到150℃以上后,采用自動鎢極氬弧焊焊接工藝焊接試件。

            122熱處理態試件

            選取第1組對接試件,焊前完成試件清理和組對裝配后,未經焊前預熱,采用自動鎢極氬弧焊焊接工藝焊接試件。

            在完成對接接頭焊接后,對焊接接頭進行690±10℃×3045min的局部熱處理,其中400℃以上的升降溫速率200℃/h。

            2接頭性能分析及結果

            SA-213T22鋼與Incoloy800H換熱管對接接頭為鐵素體鋼和鎳基合金的異種鋼對接焊縫,焊接接頭的構成如圖1所示。

            分別對焊態和熱處理態兩種SA-213T22Incoloy800H異種鋼對接接頭的常規性能進行對比分析,包括室溫拉伸試驗、高溫(550℃)拉伸、彎曲試驗、硬度和金相組織。

            21室溫拉伸試驗

            選取焊態與熱處理態換熱管異種鋼對接接頭分別進行室溫拉伸試驗。試樣的制備和試驗依據GB/T26512008進行。

            試驗結果表明,2種狀態的T22Incoloy800H異種材料對接焊縫的室溫拉伸斷裂值為655740MPa,均高于T22鋼側母材的最低抗拉強度(415MPa),試樣的斷裂位置均在T22鋼側母材區域,為韌性斷裂。相比較而言,經歷了焊后熱處理的焊接接頭室溫拉伸斷裂強度略有下降。

            22高溫拉伸試驗

            選取焊態與熱處理態的換熱管異種鋼對接接頭分別進行高溫(550℃)拉伸試驗。高溫拉伸試樣的制備和試驗依據GB/T43382006進行。試驗結果表明,焊接接頭的高溫拉伸試樣斷裂在T22鋼側母材,斷裂位置距離焊縫最寬處邊緣約15mm,為韌性斷裂,拉伸斷裂值為320358MPa,均大于T22鋼側母材的最低抗拉強度(358MPa)。兩種狀態焊接接頭高溫拉伸斷裂強度值無明顯變化。

            23接頭面彎、背彎試驗

            依據GB/T26532008,對焊態與熱處理態的異種鋼換熱管對接接頭制備面彎和背彎試樣。利用萬能試驗機進行對接接頭的面彎和背彎試驗;彎頭直徑D4a,彎曲角度為180°。異種鋼對接由于焊縫兩側的2種材料的熱膨脹系數存在差異,焊接接頭中存在殘余應力,2種母材存在不同的延展性,致使在進行接頭面彎和背彎試驗時,容易造成部分彎曲試樣無效。

            SA-213T22材料在焊接時,易在熱影響區中產生淬硬組織,致使在進行接頭背彎試驗時,熔合線附近出現局部開裂現象的幾率較高。

            對比焊態和焊后熱處理態的異種鋼對接接頭試驗,焊后熱處理態接頭的彎曲試驗結果明顯優于焊態接頭的試驗結果,如圖2所示。其中,焊態試件在SA-213T22鋼側熔合線附近產生局部開裂的幾率明顯高于熱處理態試件。

            24焊接接頭的硬度試驗

            側彎試驗時,發現異種鋼對接接頭SA-213T22側熱影響區附近常常出現開裂現象,然而熱處理態的異種鋼對接接頭有明顯改善。

            分別選取焊態以及焊后熱處理狀態對接接頭,按圖3所示采用機械法切取硬度測試試樣,試樣包括焊縫、兩側熱影響區及兩側母材。

            硬度測試試樣的檢驗面選取換熱管厚度截面,檢驗面經拋磨腐蝕后,在接頭截面垂直于焊縫方向沿截面中心線進行維氏硬度打點測試,以焊縫中心為原點,向接頭兩側每隔05mm進行載荷為100N的維氏硬度測定。

            對比分析焊態與熱處理態兩種狀態異種鋼對接接頭的HV10硬度變化曲線如圖4所示。接頭焊縫金屬的硬度值約為HV10140,焊后熱處理對焊縫金屬硬度影響不大。

            焊態接頭SA-213T22鋼側熱影響區隨著與熔合線距離的增大,硬度迅速升高,在距焊縫中心約5mm處達到峰值HV10320,而后迅速下降,在距焊縫中心約8mm處硬度值恢復至母材的硬度值HV10178;熱處理態的焊接接頭,SA-213T22鋼側熱影響區硬度峰值降低到了約HV10250。

            25焊接接頭的金相試驗

            對比預熱不焊后熱處理(焊態)和不預熱焊后熱處理(焊后熱處理態2種工藝狀態下的異種鋼對接接頭各個區域的微觀金相組織,焊態和熱處理態焊接接頭兩側的母材及焊縫金屬的金相組織均未發生變化,其中SA-213T22鋼側母材為鐵素體組織;焊縫、Incoloy800H合金側母材及熱影響區組織為奧氏體組織。

            只有SA-213T22鋼側焊縫熱影響區的組織發生了明顯變化,如圖5所示,由焊態下的貝氏體馬氏體少量鐵素體組織變化成了熱處理狀態下的貝氏體回火索氏體少量鐵素體組織。焊后熱處理對T22鋼側熱影響區的微觀組織結構有所改善,有效地改善了接頭性能。

            3結論

            1)筆者通過采用自動鎢極氬弧焊實現了SA-213T22鋼與Incoloy800H合金異種金屬換熱管對接焊。采用預熱不焊后熱處理和不預熱進行焊后熱處理,這2種工藝均可以得到滿足設計要求的異種金屬對接焊焊縫。

            2)通過室溫拉伸試驗和高溫拉伸試驗結果對比,進行焊后熱處理的異種金屬對接接頭抗拉強度略有下降,相比較焊態對接接頭變化不大。

            3)對經焊后熱處理的異種鋼對接接頭進行面彎、背彎試驗,其結果明顯優于焊態焊接接頭的試驗結果。異種鋼對接接頭易在SA-213T22鋼側熱影響區附近產生淬硬組織造成彎曲試樣失效和開裂。

            4SA-213T22Incoloy800H異種金屬對接接頭中,SA-213T22鋼側熱影響區的硬度值明顯高于接頭其他區域,最大硬度峰值達到約HV10320。焊后熱處理能夠降低SA-213T22鋼側熱影響區的硬度,使最大硬度峰值達到約HV10250。

            5)合理的焊后熱處理制度能夠適當地消除異種金屬對接接頭及熱影響區的殘余應力,降低應力腐蝕的敏感性,軟化熱影響區,提高焊縫金屬的塑性等作用。

            文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|不銹鋼換熱管

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