（東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川成都611731）

0 前言

作為水煤漿氣化爐承壓主殼體常用材料，東方鍋爐股份有限公司某氣化爐項(xiàng)目燃燒室、激冷室及半球形封頭殼體主材均采用SA-387GR11CL2鋼板。筒體（燃燒室、激冷室）SA-387GR11CL2鋼板在制造過程中主要有縱、環(huán)縫的拼接（縱縫拼接后需進(jìn)行中間熱處理）及最終消除應(yīng)力整體熱處理。封頭由于受板材規(guī)格限制無法整張下料，需先拼接再熱沖壓成型，高于臨界溫度的熱成型會(huì)造成一定程度的組織晶粒長大且改變材料的原始供貨狀態(tài)，需進(jìn)行正火（水冷或空冷）加回火以恢復(fù)材料的綜合力學(xué)性能及使用狀態(tài)。該項(xiàng)目對(duì)SA-387GR11CL2鋼板的要求是427℃中溫抗拉強(qiáng)度不低于450MPa，經(jīng)前述焊接及熱處理加工后，板材及焊接接頭中溫強(qiáng)度是否仍滿足該技術(shù)要求是該產(chǎn)品的制造難點(diǎn)。本研究通過系列焊接及熱處理工藝試驗(yàn)，研究SA－387GR11CL2鋼板的焊接及熱處理性能制定出氣化爐燃燒室、激冷室筒體及封頭合理的焊接工藝及熱處理制度。

1 試驗(yàn)

1.1 試板的焊接及熱處理

焊接試板母材均采用檢查編號(hào)為G083、G172的SA－387GR11CL2鋼板，其成分及力學(xué)性能分別如表1、表2所示。

采用針對(duì)該項(xiàng)目特殊技術(shù)要求研發(fā)的特殊焊接材料[1]，其中焊條電弧焊（以下簡稱手工焊/S）焊接材料采用CHH307Q焊條，埋弧自動(dòng)焊（簡稱埋弧焊/Z）焊接材料采用H11CrMoG/SJ110G焊絲/焊劑。各焊接試板焊接工藝規(guī)范如表3所示，其他工藝條件如表4所示。

表1 SA-387GR11CL2鋼板化學(xué)成分 %

表2 SA-387GR11CL2鋼板力學(xué)性能

表3 各試板焊接工藝

表4 各焊接試板其他工藝條件

圖1 660℃/6 h（24 h）退火熱處理曲線

圖2 模擬熱成型（960℃）+正火（水冷）（930℃）+回火（710℃）+660℃/6 h（12 h）退火熱處理曲線

圖3 690℃/6 h（20 h）退火熱處理曲線

圖4 模擬熱成型（960℃）+正火（水冷）（940℃）+回火（710℃）+690℃/6 h（12 h）退火熱處理曲線

圖5 模擬熱成型（960℃）+正火（空冷）（930℃）+回火（710℃）+690℃/6 h退火熱處理曲線

圖6 雙面U、V型坡口

圖7 單面V型坡口

圖8 單面U型坡口

2.2 檢驗(yàn)及結(jié)果

各焊接試板化學(xué)成分及力學(xué)性能檢測數(shù)據(jù)如表5、表6所示。SA-387GR11CL2鋼板手工焊采用CHH307Q，埋弧焊采用H11CrMoG/SJ110G，經(jīng)660℃/6 h、660℃/24 h、690℃/6 h、690℃/20 h等不同熱處理制度的模擬焊后退火熱處理后，試板接頭各項(xiàng)力學(xué)性能均滿足相關(guān)技術(shù)要求。

表5 各試板化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果 %

2.3 回火參數(shù)對(duì)性能的影響

Larson-Miller參數(shù)（即LMP參數(shù)）是研究金屬材料溫度、時(shí)間與斷裂、蠕變關(guān)系的參數(shù)。在此主要采用LMP參數(shù)研究熱處理制度（熱處理溫度和保溫時(shí)間）對(duì)1.25Cr-0.5Mo材料性能的具體影響。

式中 P為LMP參數(shù)；T為絕對(duì)溫度（單位：K）；t為熱處理時(shí)間（單位：h）；C為常數(shù)（此處取20）。

埋弧焊試板 PT6、D1101、11-6144、11-6145 熱處理溫度、保溫時(shí)間分別為660℃/6 h、660℃/24 h、690℃/6 h、690℃/20 h，按式（1）計(jì)算出 LMP參數(shù)分別為 19.39、19.95、20.01、20.51。該 4 塊試板焊縫化學(xué)成分差別較大，主要為PT6、D1101焊縫Ni含量約為0.14%，11-6144的Ni含量約為 0.09%，11-6145基本不含Ni（含量為0.03%），Ni對(duì)焊縫金屬的沖擊性能有一定的影響；此外，除PT6與D1101實(shí)際焊接工藝相同外，其他試板焊接工藝實(shí)際均有所差異（焊接規(guī)范及坡口等）。鑒于這4塊試板常溫接頭拉伸試驗(yàn)均斷于母材（其中PT6、11-6145全厚度拉伸試樣中有斷裂于焊縫的，表示該2塊試板焊縫基本與母材等強(qiáng)），接頭強(qiáng)度也代表了母材的強(qiáng)度，因此可以采用接頭抗拉強(qiáng)度來分析LMP參數(shù)對(duì)1.25Cr-0.5Mo材料強(qiáng)度性能的影響，強(qiáng)度隨LMP參數(shù)的變化趨勢如圖9所示。

手工焊試板 11-632、11-633、11-6142、11-6143熱處理溫度、保溫時(shí)間分別為660℃/6h、660℃/24h、690℃/6 h、690℃/20 h，LMP 參數(shù)對(duì)應(yīng)為 19.39、19.95、20.01、20.51，該 4塊試板實(shí)際焊接規(guī)范基本相同，母材及焊縫金屬化學(xué)成分基本一致。同樣該4塊試板常溫接頭拉伸試驗(yàn)均斷于母材（其中11－633全厚度拉伸試樣中有斷裂于焊縫的，表示該試板焊縫基本與母材等強(qiáng)），接頭強(qiáng)度也代表母材強(qiáng)度，手工焊接頭抗拉強(qiáng)度及焊縫、HAZ硬度隨LMP參數(shù)的變化趨勢如圖10、圖11所示。

表6 各試板力學(xué)性能檢測結(jié)果

圖9 LMP參數(shù)與接頭抗拉強(qiáng)度的關(guān)系曲線（埋弧焊）

圖10 LMP參數(shù)與接頭抗拉強(qiáng)度的關(guān)系曲線（手工焊）

圖11 LMP參數(shù)與接頭硬度的關(guān)系（手工焊）

由圖9～圖11可知，埋弧焊及手工焊接頭強(qiáng)度隨LMP參數(shù)提高呈近似線性下降趨勢，其中圖9尤為明顯，與強(qiáng)度性能呈對(duì)應(yīng)關(guān)系的硬度性能隨LMP參數(shù)的提高也呈近似線性下降趨勢。需指出，埋弧焊接頭硬度隨LMP參數(shù)的增大整體呈下降趨勢但并未表現(xiàn)出較明顯的線性關(guān)系，主要在于：焊縫金屬為鑄態(tài)較不均勻組織，各項(xiàng)性能受諸多因素影響，即使相同試板、同一熱處理規(guī)范，由于焊縫組織的細(xì)微差異（如粗細(xì)晶粒比例的不同）會(huì)造成力學(xué)性能的差異，況且4塊埋弧焊試板各項(xiàng)實(shí)際焊接工藝條件也不盡相同。

沖擊韌性方面，對(duì)于1.25Cr-0.5Mo鉻鉬耐熱鋼，過于提高熱處理溫度或延遲保溫時(shí)間（即增大LMP參數(shù)）都會(huì)引起焊縫金屬和熱影響區(qū)金相組織中的碳化物沿晶界聚集，可能導(dǎo)致鐵素體晶粒粗化，降低材料韌性，沖擊下降，出現(xiàn)消除應(yīng)力脆化（再熱脆化）現(xiàn)象。文獻(xiàn)[2-3]指出，對(duì)于1.25Cr-0.5Mo鋼，當(dāng)LMP參數(shù)超過19.5時(shí)（另有介紹超過20.5），隨著LMP參數(shù)的增大，沖擊韌性逐漸下降，這可能是LMP參數(shù)為19.39的PT6/11-632試板沖擊性能基本與LMP參數(shù)為19.95的D1101/11-633差別不大，而LMP參數(shù)為20.51的11-6145/11-6143試板沖擊性能略低于LMP參數(shù)為20.01的11-6144/11-6142試板的原因，其中C含量較高的母材表現(xiàn)更為明顯。

2.4 封頭的焊接及熱處理

封頭由于受板材規(guī)格限制無法整張下料，需先拼接后再熱沖壓成型，經(jīng)高于臨界溫度的熱成型會(huì)造成組織晶粒長大、材料綜合力學(xué)性能下降，需通過正火（水冷或空冷）加回火以恢復(fù)材料的綜合力學(xué)性能。由表4和表6可知，當(dāng)中溫強(qiáng)度要求σb（427℃）≥450 MPa時(shí)，埋弧焊采用H11CrMoG/SJ110G模擬熱成型后經(jīng)正火（水冷）加回火恢復(fù)性能熱處理，接頭強(qiáng)度仍無法滿足技術(shù)要求，手工焊采用CHH307Q焊條可滿足技術(shù)要求；當(dāng)中溫強(qiáng)度要求為中溫屈服強(qiáng)度時(shí)[如惠生氣化爐要求σb（427℃）≥229MPa]，埋弧焊采用H11CrMoG/SJ110G模擬熱成型后經(jīng)正火（水冷）加回火恢復(fù)性能熱處理，接頭強(qiáng)度可滿足技術(shù)要求，但正火冷卻方式由水冷改為空冷后，即使手工焊采用CHH307Q焊條也不能滿足技術(shù)要求（主要是常溫接頭強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求）。

另外還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試板經(jīng)高于臨界溫度相關(guān)熱處理后（模擬熱成型后水冷或空冷正火），接頭拉伸試驗(yàn)均斷裂于焊縫（即焊縫強(qiáng)度低于母材），而僅進(jìn)行退火熱處理的各試板拉伸試驗(yàn)基本均斷裂于母材（即焊縫強(qiáng)度高于母材），即經(jīng)高于臨界溫度相關(guān)熱處理后，焊縫強(qiáng)度相對(duì)母材下降嚴(yán)重，全面低于母材，且埋弧焊試板焊縫強(qiáng)度低于手工焊試板焊縫強(qiáng)度。對(duì)比各試板母材及焊縫化學(xué)成分并結(jié)合C元素在各熱處理過程及組織相變中的作用及行為進(jìn)行分析[4-5]，這是由于焊縫C含量明顯低于母材，埋弧焊試板焊縫C含量低于手工焊試板所引起的，具體原因?yàn)椋篊元素在α鐵素體中的溶解度極低（C在α-Fe中最大溶解度為0.021 8%，室溫下溶解度僅為0.000 8%），在焊縫凝固相變過程中，碳及碳化物一般來不及析出而是過飽和于鐵素體（貝氏體、鐵素體）晶內(nèi)，起一定的固溶強(qiáng)化作用，焊縫組織為貝氏體+少量鐵素體，此時(shí)焊縫強(qiáng)度較高。當(dāng)僅進(jìn)行低于臨界溫度的退火消應(yīng)力熱處理時(shí)，未發(fā)生組織相變，原強(qiáng)化作用未消失，強(qiáng)度下降較小。當(dāng)進(jìn)行高于臨界溫度的模擬熱成型時(shí)，母材及焊縫均發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，碳化物分解并溶入奧氏體中，在緩慢冷卻的珠光體及貝氏體轉(zhuǎn)變中，碳化物析出于α-Fe邊界，原強(qiáng)化作用消失，此時(shí)組織強(qiáng)度與組織類型及碳化物數(shù)量有關(guān)，母材C含量高于焊縫，其碳化物數(shù)量也多于焊縫，因此強(qiáng)度高于焊縫；再次進(jìn)行正火空冷熱處理，組織轉(zhuǎn)變與模擬熱成型過程基本相同，母材及焊縫強(qiáng)度不會(huì)發(fā)生較大變化；若隨后進(jìn)行正火水冷熱處理（即以較快速度冷卻），加熱至奧氏體化溫度后，碳化物分解溶入奧氏體，在快速冷卻過程中，組織轉(zhuǎn)變以貝氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹鳎赡軙?huì)有部分馬氏體轉(zhuǎn)變），碳化物析出于α-Fe邊界（可能部分過飽和于α-Fe內(nèi)），此時(shí)主要因組織的差異，母材和焊縫強(qiáng)度均比進(jìn)行正火空冷熱處理情況下高得多，此外因碳及碳化物對(duì)強(qiáng)度的影響，母材與焊縫相對(duì)強(qiáng)度不會(huì)發(fā)生改變；隨后進(jìn)行的低于臨界轉(zhuǎn)變溫度的回火及模擬焊后退火熱處理（回火處理主要是為了穩(wěn)定組織及消除先前水淬處理的內(nèi)應(yīng)力）均不會(huì)引起母材及焊縫強(qiáng)度發(fā)生較大的變化。總的來說，經(jīng)高于臨界溫度的相關(guān)熱處理使焊縫原有強(qiáng)化作用消失，而這對(duì)于母材而言相當(dāng)于恢復(fù)材料原始供貨狀態(tài)的熱處理。

3 結(jié)論

（1）埋弧焊采用H11CrMoG/SJ110G、手工焊采用CHH307Q經(jīng)660℃/6 h、660℃/24 h、690℃/6 h、690℃/20 h退火熱處理后接頭各項(xiàng)性能均滿足相關(guān)技術(shù)要求，可應(yīng)用于氣化爐SA-387GR11CL2燃燒室及激冷室筒體的焊接。

（2）SA-387GR11CL2鋼板的強(qiáng)度性能隨LMP參數(shù)的增大呈線性下降趨勢，相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)所提到的1.25Cr-0.5Mo材料的再熱脆化現(xiàn)象，在本試驗(yàn)研究中也有所體現(xiàn)。

（3）無論是埋弧焊（H11CrMoG/SJ110G）還是手工焊（CHH307Q），試板經(jīng)高于臨界溫度相關(guān)熱處理（模擬熱成型后水冷或空冷正火）后，焊縫強(qiáng)度嚴(yán)重下降并全面低于母材，且埋弧焊焊縫強(qiáng)度比手工焊的更低，這主要是母材、埋弧焊及手工焊焊縫C含量的差異所引起的，正火空冷情況下強(qiáng)度比水冷情況下更低。就目前所使用焊接材料，當(dāng)中溫強(qiáng)度要求為σb（427℃）≥450MPa時(shí)，埋弧焊采用H11CrMoG/SJ110G模擬熱成型后經(jīng)正火（水冷）加回火恢復(fù)性能熱處理，接頭強(qiáng)度不能滿足技術(shù)要求，手工焊采用CHH307Q焊條可滿足技術(shù)要求；當(dāng)中溫強(qiáng)度要求為中溫屈服強(qiáng)度時(shí)（如要求為σb（427℃）≥229MPa），埋弧焊采用H11CrMoG/SJ110G模擬熱成型后經(jīng)正火（水冷）加回火恢復(fù)性能熱處理，接頭強(qiáng)度可滿足技術(shù)要求，但正火冷卻方式由水冷改為空冷后，即使強(qiáng)度更高的手工焊CHH307Q也不能滿足技術(shù)要求。即如果溫強(qiáng)度技術(shù)要求為σb（427℃）≥450MPa，目前只能采用手工焊（CHH307Q焊條）進(jìn)行焊接，若要使用埋弧焊，需開發(fā)強(qiáng)度更高的焊接材料，鑒于C元素在1.25Cr-0.5Mo鋼組織相變中的作用和行為，降低焊劑對(duì)焊絲C元素?zé)龘p，提高焊縫金屬C含量是一個(gè)主要切入點(diǎn)。