李清志

［摘要］ 本文主要介紹熱力發(fā)電設(shè)備中逐漸推廣使用的12Cr2MoWVTiB鋼的性能，并提出了手工電弧焊焊接工藝和合理的熱處理規(guī)范。

［關(guān)鍵詞］ 淬火； 回火； 貝茵體； 固溶體； 鐵素體； 空冷； 相變溫度； 軟化帶

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

［中圖分類號(hào)］F272［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A［文章編號(hào)］1673 - 0194（2012）19- 0062- 02

隨著我國(guó)高溫高壓大型發(fā)電機(jī)組的不斷發(fā)展，對(duì)電站鍋爐高溫段過熱器管和再熱器管提出了較高的參數(shù)要求，由于使用溫度在６００℃～６２０℃（瞬間溫度則更高），珠光體耐熱鋼已滿足不了技術(shù)條件的要求，所以開始采用貝茵體熱強(qiáng)鋼來取代珠光體耐熱鋼。

１２Ｃｒ２ＭｏＷＶＴｉＢ鋼，簡(jiǎn)稱“１０２”鋼，是一種新型的低碳低合金貝茵體熱強(qiáng)鋼，具有良好的綜合機(jī)械性能、工藝性能和熱強(qiáng)性能，其熱強(qiáng)性和使用溫度超過國(guó)外同類型熱強(qiáng)鋼，在一定溫度范圍內(nèi)達(dá)到了鉻鎳奧氏體鋼的水平。

１“１０２”鋼的組織性能

“１０２”鋼采用了固溶強(qiáng)化、穩(wěn)定碳化物相和強(qiáng)化晶界等多種強(qiáng)化手段?！埃保埃病变摰臒釓?qiáng)性受成分影響較大，由于各種合金元素的適當(dāng)配合，使它具有較高的熱強(qiáng)性能，尤其是６００℃熱強(qiáng)性較高。

為了保證具有一定的抗氧化性能，“１０２”鋼中含有２％左右的Ｃｒ和較多的Ｓｉ。Ｃｒ除保證抗氧化性能外，也是固溶強(qiáng)化元素。此外，Ｍｏ、Ｗ也是固溶強(qiáng)化元素。而Ｔｉ、Ｖ是強(qiáng)烈的碳化物穩(wěn)定元素，形成ＴｉＣ及Ｖ４Ｃ３等化合物，并與基體保持共格聯(lián)系，提高了抗滑移變形能力，使碳化物相高度穩(wěn)定，并且是均勻分布，從而保證了“１０２鋼”穩(wěn)定的彌散強(qiáng)化作用。由于Ｔi、Ｖ的存在，不易形成ＣｒＣ等化合物，這樣Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ元素等便可充分進(jìn)入固溶體，發(fā)揮其固溶強(qiáng)化作用，保證了鋼的熱強(qiáng)性，Ｂ是強(qiáng)化晶界、保證高溫?zé)釓?qiáng)性能的重要元素，這對(duì)提高碳化物穩(wěn)定性是有利的。另一作用是更強(qiáng)地提高鋼的淬透性，使其連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線的上鼻部明顯右移，從而擴(kuò)大了穩(wěn)定的奧氏體區(qū)，使“１０２”鋼比較容易得到貝茵體組織，改善了熱處理工藝。由于鋼中的Ｃ原子以間隙固溶存在，對(duì)高溫蠕變有不利影響。而為了達(dá)到足夠的彌散強(qiáng)化作用，又必須有一定的含碳量，因此規(guī)定了低碳范圍。 為了保證“１０２”鋼的熱強(qiáng)性能，要求經(jīng)奧氏體化后空冷得到貝茵體組織，不允許出現(xiàn)自由鐵素體或網(wǎng)狀鐵素體。焊后，貝茵體組織的形成及其狀態(tài)，在正火溫度相同的條件下取決于冷卻速度。

鐵素體轉(zhuǎn)變區(qū)溫度是７３０℃～８４５℃，而貝茵體轉(zhuǎn)變區(qū)溫度是３５０℃～５３０℃。為了得到貝茵體組織，要求有一定的冷卻速度并應(yīng)避開鐵素體轉(zhuǎn)變區(qū)。

ＡＣ３溫度以下（即９３０℃以下）是不能緩冷的，否則會(huì)出現(xiàn)鐵素體組織。說明上述不同的冷卻速度能得到不同的金屬組織。焊后空冷，便可得到全部的貝茵體組織。

試驗(yàn)證明，在７００℃～１ ０００℃ 溫度間的平衡冷卻速度＞５０℃／分（相當(dāng)于焊后常溫下靜止空氣中的冷卻速度），就可以抑制鐵素體出現(xiàn)。

２可焊性

“１０２”鋼含有較多的合金元素，合金元素Ｔｉ等會(huì)增大池黏度，降低熔池中氣體的浮升速度，從而影響焊接工藝；Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等合金元素使Ｃ的擴(kuò)散系數(shù)大大降低，增加了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，其結(jié)果是降低了鐵素體形成速度，并在焊接的熱作用下容易淬火，有可能出現(xiàn)脆硬的組織，以致形成裂紋。但由于“１０２”鋼含有較強(qiáng)的碳化物形成元素Ｔｉ、Ｖ，使鋼的淬火傾向有所改變。

３ 熱處理工藝

根據(jù)“１０２”鋼的焊接特點(diǎn)，其熱處理規(guī)范應(yīng)按如下規(guī)則進(jìn)行：

（１） 由于焊接過程是急速的加熱和冷卻，導(dǎo)致近縫區(qū)產(chǎn)生脆性組織，使硬度值提高。

（２） 為保證焊接接頭在高溫壓條件下長(zhǎng)時(shí)間工作的熱穩(wěn)定性和持久塑性，熱處理應(yīng)不致引起貝茵體組織的變化（應(yīng)選擇ＡＣ１，８４５℃ 以下）。

（３） 熱處理過程應(yīng)保證基本金屬原始機(jī)械性能，即使經(jīng)過２～３次重復(fù)熱處理也不應(yīng)導(dǎo)致基本金屬、焊縫和近縫區(qū)的軟化。

（４） 回火溫度應(yīng)使近縫區(qū)第一類應(yīng)力降低到最小值。

４熱處理試驗(yàn)

（１） 焊后空冷不作任何處理的試樣，其冷彎角度很小并且是脆斷，熱影響區(qū)硬度也較高，接頭塑性很差，因此焊后必須作熱處理。

（２） 焊后緩冷的焊接接頭，經(jīng)７８０℃保溫３０分鐘回火后，抗拉強(qiáng)度平均為5.39 × 106 Pa，雖已達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，但為抑制鐵素體組織的形成，在Ａｒ１溫度以上是不能緩慢冷卻的。

（３） 焊后獲得貝茵體組織的焊接接頭，經(jīng)７８０℃保溫３０分鐘回火能夠消除接頭應(yīng)力，降低近縫區(qū)的硬度值，達(dá)到技術(shù)條件的要求。

（４） 回火的冷卻速度和焊后的冷卻速度一樣，對(duì)接頭組織性能有明顯影響。焊接接頭的熱影響區(qū)總是存在一個(gè)過渡溫度段，在此溫度內(nèi)鐵素體易形成，晶粒易長(zhǎng)大，形成軟化帶。因此回火保溫后也必須采取空冷或在石棉中冷卻。這說明“１０２”鋼對(duì)過渡溫度段，較一般低合金珠光體鋼敏感。因此必須嚴(yán)格控制它的焊后熱處理規(guī)范。

（５） 回火保溫后緩冷的試樣，在焊縫熔合線處出現(xiàn)了寬０．２毫米的脫碳層。這是由于較高的溫度、緩慢的冷卻條件，使碳原子擴(kuò)散的結(jié)果?；鼗鸨睾罂绽?，就可以避免熔合線脫碳現(xiàn)象。

（６） 經(jīng)１ ０３０℃高溫退火試樣，會(huì)形成大量的鐵素體組織，造成接頭軟化，使強(qiáng)度和硬度明顯下降。在高溫條件下使用時(shí)，蠕變速度和持久塑性也下降得很快，必須嚴(yán)格掌握焊后及熱處理的冷卻速度，防止軟化帶和脫碳層的形成。

（７） 焊后緩慢冷卻或空冷速度不夠，均會(huì)不同程度地形成鐵素體組織，它從奧氏體邊界開始析出，先于貝茵體形成，因此稱為先析鐵素體。而在接頭熱影響區(qū)出現(xiàn)的鐵素體，是由于焊接或熱處理作用從貝茵體組織中分解出來的。它們對(duì)接頭性能的影響是相同的，均應(yīng)控制熱處理規(guī)范加以避免。

（８） 經(jīng)７５０℃回火的焊口硬度值，比７８０℃回火的焊口硬度值高ＨＲＣ３～６，對(duì)于保溫時(shí)間較短的回火溫度?。罚福啊婊颍罚梗啊孑^為合適。為了提高“１０２”鋼在使用溫度下組織的穩(wěn)定性、熱強(qiáng)性和持久塑性，這種長(zhǎng)時(shí)間使用的低合金鋼回火溫度，一般應(yīng)比使用溫度高１５０℃或更高。因此“１０２”鋼的回火溫度控制在７７０℃～７９０℃較為合適。

（９） 由于回火溫度接近ＡＣ１溫度，且回火溫度范圍很窄，因此不能采用火焰熱處理。應(yīng)采用儀表測(cè)溫的電阻爐或感應(yīng)加熱方法進(jìn)行接頭的熱處理。

５焊接工藝

（１） 由于“１０２”鋼管使用溫度高，選用熱３４７焊條。

（２） 要求焊前預(yù)熱至２５０℃～３００℃。預(yù)熱能增加奧氏體的分解時(shí)間，降低近縫區(qū)的冷卻速度，防止裂紋，減少應(yīng)力。對(duì)于在低溫下焊接以及焊大直徑厚壁管，有必要進(jìn)行預(yù)熱。

（３） 針對(duì)“１０２”鋼焊接熔池黏度較大的特點(diǎn)，為防止焊接缺陷，采取角度稍大的坡口是有利的，便于氣體的排出。 采用７０°坡口張角、２．５～３毫米的對(duì)口間隙和０．５～１毫米的鈍邊。

（４） 為防止氣孔產(chǎn)生，要按規(guī)定烘干焊條。并盡可能采取穩(wěn)弧焊接法，盡力減少抬弧和熄弧，防止空氣進(jìn)入熔池形成氣孔。

（５） 為防止點(diǎn)焊處裂紋，采取適當(dāng)?shù)暮更c(diǎn)，焊點(diǎn)太小易形成裂紋，太大易焊不透。

（６） 在收弧時(shí)應(yīng)填滿弧坑，防止弧坑裂紋。

（７） 在更換焊條時(shí)，注意接頭引弧熔合良好，使鐵水良好過渡，以防止出現(xiàn)層間未焊透。

（８） 熱處理后要進(jìn)行硬度檢查，焊縫和熱影響區(qū)的ＨＢ≤３００。

（９） 為確保焊接質(zhì)量，建議對(duì)接頭進(jìn)行１００％無損檢查。

（１０） 焊前，焊工應(yīng)按“火力發(fā)電廠承壓管道焊接篇”的規(guī)定進(jìn)行考試，并對(duì)焊接接頭作金相和熱處理后的硬度檢查。