陳 勇

(廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院，廣東 廣州 510663)

目前，國內(nèi)外可用于700 ℃高溫段關(guān)鍵部件的選材較少，主要有GH2984，HR6W，Alloy 617/617B，Alloy 740/740H等鋼材。由于700 ℃超超臨界火電機(jī)組的關(guān)鍵部件長期在高溫、高壓、有腐蝕介質(zhì)的工況下運(yùn)行，對(duì)其性能有較多的特殊要求，如室溫下強(qiáng)度和韌性配合良好；有足夠蠕變強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和持久塑性；在高溫下運(yùn)行的組織穩(wěn)定性好，有較好的抗高溫?zé)煔庋趸g、抗高溫汽水介質(zhì)腐蝕的性能(在服役工況下20×105h的腐蝕減薄量≤2 mm)，良好的抗蠕變-疲勞性能[1-3]。

工程上對(duì)超超臨界鋼焊縫接頭的性能要求較高，客觀上需要通過大量實(shí)踐來檢驗(yàn)超超臨界鋼焊接工藝性及焊縫接頭的可靠性。本文采用GTAW方法，對(duì)10 mm厚新型超超臨界HR6W鋼進(jìn)行焊接，并檢測焊縫的微觀組織、顯微硬度、沖擊韌性和彎曲性能，旨在為該材料在工程上實(shí)際焊接生產(chǎn)提供工藝指導(dǎo)和數(shù)據(jù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

實(shí)驗(yàn)材料為日本產(chǎn)HR6W鋼板，尺寸為200 mm×100 mm×10 mm，其化學(xué)成分見表1。

表1 HR6W鋼板的化學(xué)成分 %

焊前采用火焰槍對(duì)母材進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度約100 ℃。焊接接頭采用雙邊近40°V型坡口，對(duì)接方式。焊縫兩端采用鎢極氬弧焊點(diǎn)焊定位，鎢極氬弧施焊，實(shí)心焊絲(直徑為1.2 mm)。焊絲的化學(xué)成分為：C，0.023 %；Mn，0.081 %；Si，0.061 %；Mo，8.17 %；Ni，61.81 %；S，0.003 %；P，0.001 %；Cr， 21.41 %；V，0.35 %；Nb，3.38 %；Cu， 0.30 %；Co，0.007 %；余量為Fe。

坡口形式及焊接順序示意圖如圖1所示。焊縫1的焊接電流I=50 A，焊接速度為10 mm/min；焊縫2，3，4，5，6的焊接電流I=70 A，焊接速度為12 mm/min；背面焊縫7的焊接電流I=40 A，焊接速度為12 mm/min，矯正變形。整個(gè)焊接過程采用氬氣雙面保護(hù)，背面保護(hù)用氬氣，流量設(shè)置為20 L/min，焊前提前5 s送氬，焊接結(jié)束后延遲5 s結(jié)束送氬，正面保護(hù)用氬氣，流量設(shè)置為15 L/min。

圖1 坡口形式及焊接順序示意圖

采用線切割方法制備金相試樣和力學(xué)性能檢測試樣，采用王水作為腐蝕劑，對(duì)拋光后的金相試樣進(jìn)行擦拭，然后用純凈工業(yè)酒精清洗，冷風(fēng)吹干后進(jìn)行金相試樣觀察。

硬度檢測設(shè)備為上海研潤光機(jī)科技有限公司生產(chǎn)的HV10維氏硬度計(jì)；抗拉性能和彎曲性能檢測實(shí)驗(yàn)設(shè)備為島津AG-X萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，壓彎頭下壓速率為2 mm/min，每個(gè)樣品最少測試3次，取其平均值為可信結(jié)果，彎曲試樣尺寸為80 mm × 10 mm × 5 mm，跨距為50 mm。進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn)時(shí)，保證樣品放平，且要求壓頭正對(duì)于接頭焊縫區(qū)的中部位置。沖擊實(shí)驗(yàn)試樣尺寸為55 mm×7.5 mm×10 mm，實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度為25 ℃，每個(gè)接頭檢測5組數(shù)據(jù)取其平均值作為最終數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果分析

2.1 微觀組織分析

焊縫不同區(qū)域SEM圖如圖2所示。由圖2(a)可以看出，采用制定的焊接工藝規(guī)范，焊縫接頭組織致密，不存在氣孔、裂紋等焊接缺陷。圖2(b)中WZ為焊縫區(qū)(Weld Zone)，主要為柱狀晶，HAZ為熱影響區(qū)(Heat Affected Zone)，晶粒粗大，BM為近焊縫母材區(qū)(Base Metal)，為奧氏體組織。圖2(c)和圖2(d)中都為奧氏體組織，晶粒大小不等，晶內(nèi)分布著彌散、細(xì)小的第二相粒子。圖2(e)中主要為粗大的柱狀晶。這是因?yàn)?，在焊接冷卻的初始階段，冷卻速度較快，焊接熔池液態(tài)金屬通過熱傳導(dǎo)方式向母材金屬傳遞熱量，液態(tài)金屬沿傳熱方向發(fā)生凝固，形成粗大的柱狀晶體。圖2(f)中為焊縫表層組織，主要為細(xì)小的等軸晶。

(a) 接頭 (b) 熔合區(qū) (c) 母材

2.2 顯微硬度分析

對(duì)焊接接頭焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)分別進(jìn)行硬度檢測(HV10)。相鄰2個(gè)檢測點(diǎn)間隔1 mm，每個(gè)區(qū)域檢測10個(gè)位置，取其平均值為最終值。不同位置焊接接頭硬度檢測結(jié)果見表2。

表2 不同位置焊接接頭硬度檢測結(jié)果

由表2可以看出，焊縫區(qū)域硬度平均值最高，可達(dá)到188.1，熱影響區(qū)次之，硬度平均值為176.4；母材區(qū)最低，硬度平均值為163.3。分析認(rèn)為，焊材成分決定了焊縫硬度，即焊材中含有0.35%釩(V)、21.41%鉻(Cr)、3.38%鈮(Nb)、8.17%鉬(Mo)，在焊接熔池和C結(jié)合，生成間隙固溶體，有利于提高材料的硬度。這是造成焊縫區(qū)顯微硬度高于熱影響區(qū)的主要原因。而對(duì)于焊接熱影響區(qū)和母材，盡管材料成分相同，但在進(jìn)行每一道焊縫焊接時(shí)，都相當(dāng)于對(duì)熱影響區(qū)金屬進(jìn)行了一次熱處理。這是造成熱影響區(qū)金屬高于母材的主要原因，而母材的硬度值是由供貨狀態(tài)決定的。根據(jù)表1可以看出，焊接接頭各區(qū)域的硬度大小分布合理，硬性較好。

2.3 顯微硬度分析

參照文獻(xiàn)[4]，制備焊接接頭的拉伸試樣尺寸為Ф 6×30.G.L，高溫瞬時(shí)拉伸檢測溫度為700 ℃。焊接接頭抗拉強(qiáng)度檢測結(jié)果見表3。由表3可知，室溫拉伸平均抗拉強(qiáng)度為679.6 MPa，斷裂位置在母材靠近熱影響區(qū)部位；高溫拉伸平均抗拉強(qiáng)度為529.4 MPa，斷裂位置也在母材靠近熱影響區(qū)側(cè)。綜合檢測數(shù)據(jù)可知，焊縫的斷裂韌性高于母材。

表3 焊接接頭抗拉強(qiáng)度檢測結(jié)果 MPa

2.4 沖擊韌性分析

焊接接頭沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可知，所取檢測試樣中焊縫區(qū)的沖擊功最大檢測值為162 J，最小值為137 J，平均值為150 J；熱影響區(qū)沖擊功最大檢測值為132 J，最小值為120 J，平均值為127 J。結(jié)果表明，在選定的焊接工藝規(guī)范條件下，得到的HR6W焊接接頭的沖擊韌性良好。

表4 焊接接頭沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果 J

2.5 彎曲實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)標(biāo)準(zhǔn)，焊接接頭的彎曲實(shí)驗(yàn)要求為[4]：D=4T，α=180°，而蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程的要求為：D=3T，α=90°。本實(shí)驗(yàn)選取更嚴(yán)格的D=3T，α=180°標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn)。焊接接頭彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，彎曲全部合格，表明所選焊接工藝規(guī)范下焊接接頭的延展性能良好。

表5 焊接接頭彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

1)針對(duì)10 mm厚新型超超臨界HR6W鋼，采用小電流I=50 A打底焊，焊接速度10～12 mm/min，焊接電流增大至70 A進(jìn)行單面焊雙面成型，焊接速度15 mm/min，最后在焊縫背面采用I=40 A小電流，焊接速度12 mm/min，增焊一道焊縫進(jìn)行焊接變形矯正，可以實(shí)現(xiàn)焊縫成形美觀，微觀組織均勻，變形小，焊縫無裂紋。

2)新型超超臨界HR6W鋼焊接性良好，采用所選用的焊接材料，焊接接頭室溫抗拉強(qiáng)度、高溫抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性和彎曲性能良好，焊縫綜合力學(xué)性能優(yōu)于母材。