T91/T92和HR3C异种钢的焊接方法

摘要

本发明涉及焊接领域，公开了一种T91/T92和HR3C异种钢的焊接方法，该焊接方法包括以下步骤：(1)将待焊接的T91/T92和HR3C异种钢母材进行预热；(2)将经预热后的所述T91/T92和HR3C异种钢母材进行多层焊接，所述多层焊接依次包括打底层焊接、填充层焊接和盖面层焊接，且层间温度为150-200℃；(3)将经焊接后得到的T91/T92和HR3C异种钢焊接接头进行焊后热处理。通过本发明的焊接方法得到的焊接后的焊接接头的抗拉伸性能、抗冲击性能和抗弯曲性能均得到显著的增强，且其布氏硬度符合DL/T752-2001和DL 869-2004等的相关要求。

说明书

技术领域

本发明涉及T91/T92和HR3C异种钢的焊接方法。

背景技术

2014年9月份，国家发改委、环保部和国家能源局三部委联合下发《煤 电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)》。要求新建燃煤发电项目 采用60万千瓦及以上的超超临界机组。国内已经投产及在建的超超临界百 万机组上百台，更高参数的新型高效机组计划建设和已经在建的也有数十 台，上述机组均选用了T22、T91、T92、TP347H、Super304H、HR3C等新 型耐热钢材料，然而机组参数的提高意味着材料需要耐受更高温度以及更大 压力。因此，在超超临界机组锅炉的制造、安装及检修过程中，超超临界机 组锅炉用新型耐热材料的焊接技术成为是否能够高效运行超超临界机组的 核心关键技术。

目前，我国的超临界、超超临界机组中异种钢焊接接头普遍存在，可分 为两类：奥氏体钢与铁素体钢(A/F)焊接接头和铁素体钢与铁素体钢(F /F)焊接接头。由于材料品种多，异种钢接头存在多种多样不同的组合形 式，使新材料异种钢焊接问题复杂化、多元化，T91/T92和HR3C异种钢焊 接是其中典型代表性。现有的焊接技术获得的异种钢焊接接头主要存在抗拉 伸性能、抗冲击性能、抗弯曲性能和布氏硬度较低的缺陷，从而导致焊接接 头出现焊接裂纹和时效脆化等问题。

因此，目前市场上亟需找到一种针对焊接T91/T92和HR3C异种钢焊接 操作工艺简单、焊后产品的操作窗口宽泛、焊接质量高且焊接接头能够同时 具有抗拉伸性能、抗冲击性能和抗弯曲性能强的优点的焊接方法，以有效降 低T91/T92和HR3C异种钢焊接接头早期失效的倾向，保证机组安全运行， 使得T91/T92和HR3C异种钢能够在超临界、超超临界机组中得到广泛的推 广应用。

发明内容

本发明的目的是提供T91/T92和HR3C异种钢的焊接方法，本发明的焊 接方法操作工艺简单且焊接质量高，采用本发明焊接方法获得的T91/T92与 HR3C异种钢焊接接头的抗拉伸性能、抗冲击性能和抗弯曲性能均得到显著 的增强，且其布氏硬度符合DL/T 752-2001和DL 869-2004等的相关要求， 从而使得焊接得到的T91/T92和HR3C异种钢能够在超临界、超超临界机组 中得到广泛的推广应用。

本发明提供一种T91/T92和HR3C异种钢的焊接方法，该焊接方法包括 以下步骤：

(1)将待焊接的T91/T92和HR3C异种钢母材进行预热；

(2)将经预热后的所述T91/T92和HR3C异种钢母材进行多层焊接， 所述多层焊接依次包括打底层焊接、填充层焊接和盖面层焊接，且层间温度 为150-200℃，其中，

所述打底层焊接的条件包括：焊接电流为80-90A，焊接电压为10-14V， 焊接速度为30-40mm/min；所述填充层焊接的条件包括：焊接电流为 90-100A，焊接电压为10-14V，焊接速度为40-50mm/min；所述盖面层焊接 的条件包括：焊接电流为90-100A，焊接电压为10-14V，焊接速度为 40-50mm/min；

(3)将经焊接后得到的T91/T92和HR3C异种钢焊接接头进行焊后热 处理。

通过上述技术方案得到的焊接后的T91/T92和HR3C异种钢焊接接头的 抗拉伸性能、抗冲击性能和抗弯曲性能均得到显著的增强，且其布氏硬度符 合DL/T 752-2001和DL 869-2004等的相关要求，从而使得T91/T92和HR3C 异种钢能够在超临界、超超临界机组中得到广泛的推广应用。具体地， T91/T92和HR3C异种钢焊接接头的抗拉强度R_mv可以达到645MPa以上、 抗延伸强度R_0.2pv可以达到370MPa以上以及延伸率可以达到20％以上； T91/T92母材侧热影响区冲击功Akv可以达到250J以上以及HR3C母材侧 热影响区冲击功Akv可以达到110J以上、焊缝冲击功Akv可以达到175J 以上；T91/T92和HR3C母材侧热影响区布氏硬度分别为210-230HB和 205-214HB，焊缝布氏硬度，185-210HB。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描 述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供一种T91/T92和HR3C异种钢的焊接方法，该焊接方法包括 以下步骤：

(1)将待焊接的T91/T92和HR3C异种钢母材进行预热；

(2)将经预热后的所述T91/T92和HR3C异种钢母材进行多层焊接， 所述多层焊接依次包括打底层焊接、填充层焊接和盖面层焊接，且层间温度 为150-200℃，其中，所述打底层焊接的条件包括：焊接电流为80-90A，焊 接电压为10-14V，焊接速度为30-40mm/min；所述填充层焊接的条件包括： 焊接电流为90-100A，焊接电压为10-14V，焊接速度为40-50mm/min；所述 盖面层焊接的条件包括：焊接电流为90-100A，焊接电压为10-14V，焊接速 度为40-50mm/min；

(3)将经焊接后得到的T91/T92和HR3C异种钢焊接接头进行焊后热 处理。

根据本发明的焊接方法，优选情况下，在步骤(1)中，所述预热的温 度为200-300℃，更优选为220-280℃。本发明对预热T91/T92和HR3C异种 钢母材的预热区域没有特别的限定，优选预热区域为距离待焊接的T91/T92 和HR3C异种钢母材的端点为5-10mm的区域。

在本发明的焊接方法中，用于所述预热的方法可以有多种，本领域技术 人员可以根据常规使用的加热方法进行预热，例如可以采用电加热法和/或 火焰加热法。本发明优选将待焊接在一起的T91/T92和HR3C异种钢母材加 热至稍高于上述预热温度30-60℃范围内，然后再将该钢管母材冷却至 200-300℃，这样使得预热的温度更均匀，更有利于形成抗拉伸性能、抗冲 击性能、抗弯曲性能和布氏硬度均大幅度增强的异种钢焊接接头。

根据本发明的焊接方法，优选情况下，在步骤(2)中，所述多层焊接 使用的焊条型号为ERNiCr-3、NiCrFe-3和T-HR3C中的至少一种；更优选 情况下，所述多层焊接使用的焊条型号为ERNiCr-3。采用本发明上述焊条 进行多层焊接，能够使焊接部位熔化的异种钢母材和熔敷金属(焊缝中熔化 的焊条部分)形成连续的固溶体，即异种钢母材以及焊条这几种材料熔化后 能够形成连续的固溶体。这样，可以防止金属间化合物的产生和防止固溶体 的剩余成分的析出，从而改善焊接接头的焊接性能。

在本发明的焊接方法中，对所述多层焊接中的打底层焊接、填充层焊接 和盖面层焊接使用的焊条直径没有特别的要求，本领域技术人员可以根据实 际需要在本领域常规使用的各种范围内进行选择，优选地，所述多层焊接使 用的焊条直径为Φ1.6mm-Φ2.4mm。

根据本发明的焊接方法，在步骤(2)中，在焊接部位进行多层焊接过 程中，将层间温度控制在150-200℃的范围内，如此可以降低持续的热输入， 减少高温停留时间，改善熔池结晶状态。

本发明所述层间温度的控制方法可以采用常规使用的方法，例如可以为 在整个焊接过程中使用红外线测温仪监测焊接部位的温度，当焊接部位的温 度超过预设温度的允许的上限时，停止焊接操作，同时继续进行温度监测； 待焊接部位的温度降至接近于预设温度的允许下限时，再继续进行焊接操 作。

根据本发明的焊接方法，在步骤(2)中，所述多层焊接的操作方式为： 以退焊的方式将每层焊接成相互间隔开的多个焊道分段。优选情况下，相邻 的两个焊道分段中，前一个焊道分段的收弧部位和后一个焊道分段的起弧部 位之间间隔5-10mm。如此，可以使应力分布均匀，避免因应力集中而引起 焊接质量的下降。并且，根据本发明的更为优选的实施方式，多个焊道分段 的每个焊道分段焊接完毕后，使用小锤对该焊道分段和热影响区进行敲击， 直到该焊道分段和热影响区的表面布满麻点。如此，可进一步消除部分残余 应力，并将焊道分段和热影响区的表面的应力分布状态由拉应力状态修正为 压应力状态，从而有效地防止裂纹的产生。

根据本发明的焊接方法，优选情况下，在步骤(2)中，所述多层焊接 在Ar保护气体存在下进行，更优选情况下，所述保护气体中Ar的浓度为 99.99％。

在本发明的焊接方法中，优选所述保护气体的流量可以为9-11L/min。

根据本发明的焊接方法，优选情况下，该焊接方法还包括在进行步骤(2) 所述的多层焊接之前在所述待焊接的T91/T92和HR3C异种钢母材的焊接部 位开设V形坡口。所述V形坡口由角向砂轮机修磨而成，修磨完毕后，将 所述V形坡口对应的母材部位的表面打磨干净，并露出金属光泽。

在本发明的焊接方法中，优选情况下，所述V形坡口的敞开角度为55° -60°，可以使熔化的母材占焊道金属的百分比(即熔合比)降低。在焊接 过程中，由于过大的熔合比会增加焊缝的稀释率，使过渡层更加明显，而上 述优选的所述V形坡口的敞开角度可以控制过渡层的厚度，从而改善焊接接 头的焊接性能。

根据本发明的焊接方法，本发明中的T91/T92和HR3C异种钢焊接接头 在焊接后采用焊后热处理，焊接接头的性能明显提高，焊接参数的工艺窗口 比较大，利于现场推广应用和焊接质量的保证。优选情况下，在步骤(3) 中，所述热处理的温度为740-760℃，优选为745-755℃；时间为1.5-2.5h， 优选为1.8-2.2h。

在本发明的焊接方法中，对所述焊接的设备没有特别的限定，本领域技 术人员可以根据常规使用的各种焊接设备进行选择，例如本发明可以采用 Miller电焊机进行焊接。

根据本发明的焊接方法的一种具体的实施方式，所述T91/T92和HR3C 异种钢的焊接方法可以包括以下步骤：取一段HR3C钢以及一段T91/T92钢 母材。将两段待焊接的T91/T92和HR3C异种钢母材的焊接部位开设敞开角 度为55°-60°的V形坡口，然后将两段异种钢母材预热至230-360℃后空 冷至200-300℃(预热温度)，然后在纯Ar保护气体和型号为ERNiCr-3、 NiCrFe-3和T-HR3C中的至少一种焊条的存在下，使用Miller焊机在所述 T91/T92和HR3C异种钢V形坡口处依次进行打底层焊接、填充层焊接和盖 面层焊接，所使用的焊条直径为Φ1.6mm-Φ2.4mm。焊接中以退焊的方式将 每层焊接成相互间隔开的多个焊道分段，相邻的两个焊道分段中，前一个焊 道分段的收弧部位和后一个焊道分段的起弧部位之间间隔5-10mm，从而使 两段T91/T92和HR3C异种钢母材焊接在一起，控制层间温度为150-200℃， 焊接完毕后进行热处理，所述热处理的温度为740-760℃，时间为1.5-2.5h， 其中焊接的条件如下表1所示：

表1

  焊接电流A 焊接电压V 焊接速度mm/min 打底层焊接 80-90 10-14 30-40 填充层焊接 90-100 10-14 40-50 盖面层焊接 90-100 10-14 40-50

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

实施例1-6用于说明本发明提供的T91/T92和HR3C异种钢的焊接方法

实施例1

取一段HR3C钢以及一段T91钢母材。将两段待焊接的T91和HR3C 异种钢母材的焊接部位开设敞开角度为60°的V形坡口，然后将两段T91 和HR3C异种钢母材预热至260℃后空冷至220℃(预热温度)，在Ar保护 气体和焊条ERNiCr-3(焊条直径为Φ1.6mm)的存在下，使用Miller焊机在 所述异种钢V形坡口处依次进行打底层焊接(焊接电流为80A，焊接电压为 12V，焊接速度为30mm/min)、填充层焊接(焊接电流为90A，焊接电压为 12V，焊接速度为40mm/min)和盖面层焊接(焊接电流为90A，焊接电压 为12V，焊接速度为40mm/min)，控制层间温度为200℃；焊接中以退焊方 式将每层焊接成相互间隔开的多个焊道分段，前一个焊道分段的收弧部位和 后一个焊道分段的起弧部位之间间隔10mm，从而使两段T91和HR3C异种 钢母材焊接在一起，焊接完毕后进行热处理，热处理的温度为740℃，时间 为2.5h，得到焊接产品X1。

实施例2

取一段HR3C钢以及一段T92钢母材。将两段待焊接的T92和HR3C 异种钢母材的焊接部位开设敞开角度为55°的V形坡口，然后将两段T92 和HR3C异种钢母材预热至350℃后空冷至260℃(预热温度)，在Ar保护 气体和焊条ERNiCr-3(焊条直径为Φ2.4mm)的存在下，使用Miller焊机在 所述异种钢V形坡口处依次进行打底层焊接(焊接电流为90A，焊接电压为 14V，焊接速度为40mm/min)、填充层焊接(焊接电流为100A，焊接电压 为14V，焊接速度为50mm/min)和盖面层焊接(焊接电流为100A，焊接电 压为14V，焊接速度为50mm/min)，控制层间温度为180℃；焊接中以退焊 方式将每层焊接成相互间隔开的多个焊道分段，前一个焊道分段的收弧部位 和后一个焊道分段的起弧部位之间间隔8mm，从而使两段T92和HR3C异 种钢母材焊接在一起，焊接完毕后进行热处理，热处理的温度为745℃，时 间为1.8h，得到焊接产品X2。

实施例3

取一段HR3C钢以及一段T91钢母材。将两段待焊接的T91和HR3C 异种钢母材的焊接部位开设敞开角度为58°的V形坡口，然后将两段T91 和HR3C异种钢母材预热至310℃后空冷至280℃(预热温度)，在Ar保护 气体和型号为ERNiCr-3(焊条直径为1.6mm)的焊条的存在下，使用Miller 焊机在所述T91和HR3C异种钢V形坡口处依次进行打底层焊接(焊接电 流为90A，焊接电压为14V，焊接速度为40mm/min)、填充层焊接(焊接电 流为100A，焊接电压为14V，焊接速度为45mm/min)和盖面层焊接(焊接 电流为100A，焊接电压为14V，焊接速度为45mm/min)，控制层间温度为 150℃；焊接中以退焊方式将每层焊接成相互间隔开的多个焊道分段，前一 个焊道分段的收弧部位和后一个焊道分段的起弧部位之间间隔8mm，从而 使两段T91和HR3C异种钢母材焊接在一起，焊接完毕后进行热处理，热处 理的温度为750℃，时间为1.5h，得到焊接产品X3。

实施例4

采用与实施例1相同的焊接方法进行，所不同的是，焊接之前在所述待 焊接的异种钢母材的焊接部位开设V形坡口的敞开角度为45°，得到焊接 产品X4。

实施例5

采用与实施例1相同的焊接方法进行，所不同的是，待焊接的T91和 HR3C异种钢母材的预热温度为150℃，得到焊接产品X5。

实施例6

采用与实施例1相同的焊接方法进行，所不同的是，T91和HR3C异种 钢母材的焊接接头的热处理温度为800℃，得到焊接产品X6。

对比例1-3用于说明参比的T91/T92和HR3C异种钢的焊接方法

对比例1

采用与实施例1相同的焊接方法进行，所不同的是，层间温度为250℃， 得到焊接产品D1。

对比例2

采用与实施例1相同的焊接方法进行，所不同的是，待焊接的T91和 HR3C异种钢母材不进行焊前预热，得到焊接产品D3。

对比例3

采用与实施例1相同的焊接方法进行，所不同的是，不进行焊后热处理， 得到焊接产品D4。

测试例

(1)抗拉伸性能测试

按照GB2651-2008规定的方法分别对实施例1-6和对比例1-3所得的焊 接产品X1-X6和D1-D3的焊接接头进行拉伸性能的测试，所得的结果如表 2所示。

(2)抗弯曲性能测试

按照GB/T2653-2008规定的方法分别对实施例1-6和对比例1-3所得的 焊接产品X1-X5和D1-D3的焊接接头进行弯曲性能的测试，所得的结果如 表2所示。

(3)抗冲击性能测试

按照GB2650-2008规定的方法分别对实施例1-6和对比例1-3所得的焊 接产品X1-X6和D1-D3的焊接接头进行冲击性能的测试，所得的结果如表 2所示。

(4)布氏硬度测试

按照GB/T 231.1-2009规定的方法分别对实施例1-6和对比例1-3所得的 焊接产品X1-X6和D1-D3的焊接接头进行布氏硬度的测试，所得的结果如 表2所示。

从表2的结果可以看出，采用本发明的焊接方法得到的T91/T92和HR3C 异种钢的焊接接头的抗拉伸性能、抗冲击性能和抗弯曲性能均获得了显著的 增强，且其布氏硬度符合DL/T 752-2001和DL 869-2004等的相关要求。具 体地，T91/T92和HR3C异种钢焊接接头的抗拉强度R_mv可以达到645MPa 以上、抗延伸强度R_0.2pv可以达到370MPa以上以及延伸率可以达到20％以 上；T91/T92母材侧热影响区冲击功Akv可以达到250J以上以及HR3C母 材侧热影响区冲击功可以达到110J以上、焊缝冲击功Akv可以达到175J以 上；T91/T92和HR3C母材侧热影响区布氏硬度分别为210-230HB和 205-215HB，焊缝布氏硬度为185-210HB。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实 施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方 案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。