F92閥體和閥座焊接工藝的研究
1、概述
1000MW 超( 超) 臨界火電機(jī)組用主蒸汽閘閥的閥體材料為F92。由于此材料具有一定的冷裂傾向，在與同材質(zhì)閥座的焊接過程中，對(duì)冷裂紋非常敏感，并會(huì)在焊接的熱影響區(qū)出現(xiàn)脆化現(xiàn)象。閥門研制過程中，針對(duì)焊接裂紋等問題進(jìn)行了試驗(yàn)研究，確定了合理的焊接工藝參數(shù)，獲得了良好的焊接合格率。
2、材料性能
F92 為馬氏體耐熱鋼，此材料是在F91 鋼的基礎(chǔ)上改良出的新鋼種。與F91 鋼相比( 表1) ，Mo 含量降低，并加入了W 和微量的B，提高了其在高溫狀態(tài)下的斷裂強(qiáng)度、高溫蠕變強(qiáng)度和高溫抗氧化性(表2) 。
碳當(dāng)量計(jì)算法是一種根據(jù)合金元素的含量評(píng)定其冷裂紋敏感性的方法。當(dāng)[C]> 0. 6 時(shí)，材料的焊接性差。碳當(dāng)量[C]計(jì)算公式為
[C]= C + Mn /6 + ( Ni + Cu) /15 + ( Cr + Mo + V) /5
根據(jù)F92 母材的化學(xué)成分( 表3) ，計(jì)算出F92碳當(dāng)量[C]= 2. 09，說明F92 的焊接性差，冷裂傾向十分敏感。
3、焊接工藝
閥體和閥座的焊接( 圖1) 采用手工電弧焊。焊條使用E9015 - B9 ( 表4) 。焊條使用前經(jīng)300 ～350℃烘干，保溫2h。焊條放入保溫桶內(nèi)，為防止吸潮，隨用隨取。施焊時(shí)，仔細(xì)清理每一層焊渣，且在收弧處多停留，將弧坑填滿，防止產(chǎn)生裂紋。
1. 閥體2. 閥座
圖1 閥體與閥座組焊
表4 E9015 － B9 焊條化學(xué)成分Wt%
F92 鋼在焊接中采用小電流，利用較小的熱輸入量進(jìn)行多層多道焊( 表5) 。由于F92 淬硬傾向較大，所以要嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度和層間溫度。層間溫度一般不低于預(yù)熱溫度，但是層間溫度過高會(huì)影響焊接接頭整體的沖擊韌性，故最高層間溫度控制在300℃，預(yù)熱溫度控制約250℃。
表5 焊接工藝參數(shù)
焊接完成后，焊縫金屬及母材熱影響區(qū)會(huì)發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，生成脆而硬的馬氏體組織。通過采取760℃ ± 10℃保溫2h 的高溫回火處理方法，適當(dāng)?shù)慕档秃附咏宇^強(qiáng)度，改善接頭焊縫金屬的韌性。
4、數(shù)據(jù)分析
4.1、第1 組試樣
對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)( 表6) 和彎曲試驗(yàn)( 表7) 。從彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，彎曲試樣出現(xiàn)了最大5. 32mm 的裂紋。根據(jù)ASME 第Ⅸ卷規(guī)定，試樣彎曲后的凸面上，焊縫和熱影響區(qū)不得有超過3. 2mm 的開口缺陷。試驗(yàn)結(jié)果不符合要求。
表6 第1 組試樣拉伸試驗(yàn)
表7 第1 組彎曲試驗(yàn)
試樣在彎曲時(shí)產(chǎn)生裂紋，是脆性過大的表現(xiàn)，這也是F92 材料空淬傾向大的影響。為解決這個(gè)問題，使焊后焊接接頭性能良好，修改了焊接工藝。
(1) 增加焊后消氫處理，溫度為375℃ ± 10℃，保溫2h，緩冷到室溫。
(2) 焊后熱處理由保溫2h 改為保溫4h。
(3) 焊接最高層間溫度不高于350℃，預(yù)熱溫度控制在約300℃。
(4) 嚴(yán)格控制焊件的升溫和冷卻過程。
4.2、第2 組試樣
按照修改后的焊接工藝重新進(jìn)行焊接，并進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)( 表8、表9 和表10) 。試驗(yàn)結(jié)果顯示，試樣性能達(dá)到要求。表8 第2 組試樣拉伸試驗(yàn)。
5、結(jié)語(yǔ)
(1) F92 鋼的可焊性較差，焊接工藝復(fù)雜，但只要選擇合適的預(yù)熱溫度和層間溫度、消氫處理，嚴(yán)格按工藝執(zhí)行，完全可以避免焊接缺陷的產(chǎn)生。正確的選擇熱處理溫度和保溫時(shí)間，是保證焊縫獲得良好力學(xué)性能的關(guān)鍵。
(2) 通過對(duì)F92 新型馬氏體耐熱鋼焊接材料、焊接工藝分析研究，對(duì)F92 的性能有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，給編制F92 焊接工藝任務(wù)書及評(píng)定方案提供了可靠的理論依據(jù)和參考數(shù)據(jù)。
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