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        T91鋼高溫過熱屏自動(dòng)焊裂紋分析及工藝確定

        2021-06-30 11:37:36趙志明
        理化檢驗(yàn)(物理分冊) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:裂紋焊縫工藝

        趙志明, 夏 靜

        (1.太原鍋爐集團(tuán)有限公司, 太原 030008; 2.山西醫(yī)科大學(xué), 太原 030001)

        T91鋼是以T9鋼為基礎(chǔ)的,通過降低碳含量、增加合金元素釩和鈮、控制氫和鋁含量得到的鋼種。T91鋼不僅具有高的抗氧化性和耐高溫蒸汽腐蝕性,而且具有良好的沖擊韌性和高穩(wěn)定的持久塑性和熱強(qiáng)度。主要用于制造高溫過熱器和壁溫小于625 ℃的亞臨界、超臨界鍋爐高溫再熱器鋼管。由于T91鋼高溫過熱屏的結(jié)構(gòu)原因,其拘束應(yīng)力大,焊后易出現(xiàn)連續(xù)或斷續(xù)裂紋。為防止類似缺陷的產(chǎn)生,作者進(jìn)行了一系列針對性試驗(yàn),通過接頭質(zhì)量分析,確定了T91鋼高溫過熱屏的焊接工藝。

        1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        選用硫、磷元素含量較高的國內(nèi)某廠商生產(chǎn)的焊絲和硫、磷元素含量較低的國外某廠商生產(chǎn)的焊絲,分別進(jìn)行扁鋼不開坡口和開K型坡口的T91鋼水冷壁自動(dòng)焊接試驗(yàn)。對所有用于T91鋼管排的原材料(母材、焊材)按JB/T 3375-2002《鍋爐用材料入廠驗(yàn)收規(guī)則》[1]進(jìn)行理化檢驗(yàn)?;瘜W(xué)分析試樣按ASTM E1806《鋼和鐵化學(xué)成分測定的取樣標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)程》[2]對表面進(jìn)行研磨預(yù)處理后,再用賽默飛ARL3460型分析儀按ASTM E415《用火花原子發(fā)射光譜法分析碳和低合金鋼的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》[3]進(jìn)行化學(xué)分析,結(jié)果見表1 。室溫拉伸試驗(yàn)試樣按SA-370 《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》[4]進(jìn)行制備,使用NCS-GNT300Y型拉伸試驗(yàn)機(jī)按ASTM E8M 《金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》[5]進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),結(jié)果見表2。使用ZEISS AXIO Vert.A1型金相顯微鏡分析顯微組織,其顯微組織均為回火馬氏體+回火索氏體。由表1和表2可知原材料符合SA-213/SA-213M《鍋爐、過熱器和熱交換器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》[6]和SA-387/SA-387M《壓力容器用鉻-鉬合金鋼板》[7]的成分分析,焊絲符合SFA-5.28/SFA-5.28M《氣體保護(hù)電弧焊用低合金鋼焊絲和填充絲標(biāo)準(zhǔn)》[8]的成分要求。

        表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the test materials (mass fraction) %

        表2 試驗(yàn)材料的拉伸性能Tab.2 Tensile properties of the test materials

        1.2 試驗(yàn)方法

        T91鋼高溫過熱屏膜壁采用氣體保護(hù)單元屏焊接組裝。焊接前,對該屏進(jìn)行全寬、長預(yù)熱,預(yù)熱溫度200~250 ℃。焊接后,保溫棉覆蓋慢冷;焊接電流上槍為220~260 A,下槍為200~250 A,焊接速度為650~700 mm·min-1,水冷壁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 T91鋼高溫過熱屏膜壁結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of membrane wall structure of T91 steel high temperature superheat screen

        2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

        在相同的焊接參數(shù)下進(jìn)行焊接,采用國內(nèi)某廠商焊絲,扁鋼不開坡口焊接工藝,焊接完成后進(jìn)行角焊縫磁粉檢測,發(fā)現(xiàn)焊縫中心出現(xiàn)長度在3~5 m的連續(xù)或斷續(xù)縱向裂紋,如圖2所示,裂紋宏觀形貌如圖3所示,對裂紋進(jìn)行微觀分析,如圖4所示。由圖2~圖4可知,裂紋比較寬,尖端圓鈍,不尖細(xì)。裂紋邊緣平滑,呈直通發(fā)展,無微小裂紋短程串接的特征,屬熱應(yīng)力裂紋。該裂紋主要因?yàn)楹缚p金屬中收縮應(yīng)變超過材料變形能力而產(chǎn)生,其力學(xué)因素是由于加熱和冷卻不均勻引起的不均勻熱應(yīng)變和剛性固定引起的應(yīng)力狀態(tài),以及缺口處收縮應(yīng)變的應(yīng)力集中。在未焊透間隙,會(huì)本能地產(chǎn)生高應(yīng)力集中,如果焊縫根部存在一些焊接缺陷(夾渣、焊道或氣孔),則應(yīng)力集中增加,甚至可能出現(xiàn)三維拉伸狀態(tài),從而降低斷裂功,引起裂紋萌生和擴(kuò)展。采用扁鋼開K型坡口焊接工藝, 焊接完成后進(jìn)行角焊縫磁粉檢測,發(fā)現(xiàn)中心出現(xiàn)長度在2~3 m的連續(xù)或斷續(xù)縱向裂紋,如圖5所示,裂紋宏觀形貌如圖6所示,對試樣進(jìn)行微觀分析,如圖7所示。由圖5~圖7可知,裂紋沿焊縫中心縱向開裂,焊縫組織為柱狀晶,焊接后立即出現(xiàn)裂紋,屬于熱裂紋也屬于結(jié)晶裂紋。在焊縫結(jié)晶過程中,由于凝固金屬收縮導(dǎo)致殘余液態(tài)金屬無法及時(shí)填充,所以在應(yīng)力作用下產(chǎn)生晶間裂紋。焊縫金屬中的柱狀晶相交中心處出現(xiàn)裂紋并沿中心發(fā)展。在焊縫金屬凝固后期,低熔點(diǎn)共晶被推到柱狀晶相交中心,形成所謂的“液膜”,成為焊縫的薄弱環(huán)節(jié)。硫、磷、硅等元素與鐵形成低熔點(diǎn)共晶。

        圖2 焊縫縱向裂紋整體形貌(國內(nèi)焊絲+不開坡口)Fig.2 Overall morphology of longitudinal crack of weld (domestic welding wire+without groove)

        圖3 裂紋宏觀形貌(國內(nèi)焊絲+不開坡口)Fig.3 Macro morphology of the crack (domestic welding wire+without groove)

        圖4 裂紋微觀形貌(國內(nèi)焊絲+不開坡口)Fig.4 Micro morphology of the crack (domestic welding wire+without groove)

        圖5 焊縫縱向裂紋整體形貌(國內(nèi)焊絲+開K型坡口) Fig.5 Overall morphology of longitudinal crack of weld (domestic welding wire+K-groove)

        圖6 裂紋宏觀形貌(國內(nèi)焊絲+開K型坡口)Fig.6 Macro morphology of the crack (domestic welding wire+K-groove)

        圖7 裂紋微觀形貌(國內(nèi)焊絲+開K型坡口)Fig.7 Macro morphology of the crack (domestic welding wire+K-groove)

        采用國外某廠商焊絲在相同的焊接參數(shù)下進(jìn)行焊接,焊接工藝為扁鋼不開坡口,焊接完成后進(jìn)行角焊縫磁粉檢測,中心未出現(xiàn)縱向裂紋,對試樣進(jìn)行微觀分析,如圖8所示。焊縫根部出現(xiàn)微裂紋,裂紋主要起源于母材與焊縫交界處,在焊縫根部應(yīng)力集中的最大部位產(chǎn)生。采用扁鋼開K型坡口焊接工藝進(jìn)行焊接,焊接完成后進(jìn)行角焊縫磁粉檢測,中心未出現(xiàn)縱向裂紋,成型良好,如圖9所示,對試樣進(jìn)行微觀分析,焊縫及熔合區(qū)均未發(fā)現(xiàn)微缺陷。

        圖8 根部微裂紋微觀形貌(國外焊絲+不開坡口)Fig.8 Micro morphology of root microcrack (foreign welding wire+without groove)

        圖9 無裂紋宏觀形貌(國外焊絲+開K型坡口)Fig.9 Macro morphology without crack free (foreign welding wire+K-groove)

        3 結(jié)論

        T91鋼高溫過熱屏的最佳自動(dòng)焊接工藝為,選用低硫、磷含量的焊絲,采用扁鋼開K型坡口的焊接工藝。選用低硫、磷含量的焊絲,相比高硫、磷含量的焊絲來說,T91鋼高溫過熱屏的結(jié)晶液化裂紋敏感性顯著降低了。采用扁鋼開K型坡口焊接工藝,相比扁鋼不開坡口焊接工藝來說,焊縫根部不易萌生微裂紋。

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