异种钢接头
第一章绪论
1.1 引言
异种金属焊接能够充分利用各种材料的优异性能，如强度、比强度、耐腐蚀性、耐磨性、导电性、导热性等，因而在工程机械、交通运输、石油化工、电站锅炉、航天航空和机械电子等行业的机械设备和构件中得到广泛应用。在电站锅炉中，不同的受热温度部分常选用不同的耐热合金钢，因而出现大量的异种钢焊接接头。
T92钢作为新型耐热钢之一，主要用在U SC机组锅炉部件的过热器和再热器上，它是在T91钢的基础上，适当降低Mo元素的含量同时添加2%的W和微量的B元素而开发出的9Cr-0.5Mo2W系的新型耐热钢。其高温抗腐蚀性和抗氧化性与T91钢基本相同，但高温强度和蠕变性能则大大提高【1】。
Supre304H和T92是目前应用广泛的锅炉部件的过热器和再热器材料。由于Supre304H和T92应用的广泛性和交叉性，以及在某些场合对其特殊性能的要求，将Supre304H和T92连接形成复合结构十分必要，这样既可降低结构重量，又可节约材料。Supre304H和T92的焊接可以把两者的优点相结合起来。因此，对于Supre304H和T92的焊接接头的研究是十分必要的。
第三章 试验结果与分析
3.1 引言
在进行Supre304H 和T92钢焊接时，考虑它们之间的可焊性和工况条件等因素.然后,制定焊接工艺评定任务书,经外观检查,接头经渗透探伤合格后，机械加工成性能及显微分析试样。按照《焊接工艺评定规程DL/T868-2004》的要求，坡口型式为“V”型，采用多层焊填充坡口，由合格的高压焊工完成T92钢试验管的焊接，在焊后热处理完成后，将试验管按照图3.1沿管断面不同部位分别取拉伸、面弯、背弯、冲击和金相试样。在焊接接头显微组织显示方面，由于Supre304H 和T92两种母材以及焊接接头的抗腐蚀性不同，需要采取多步腐蚀法，并要求互相之间没有影响。用金相腐蚀法显示和研究异种金属焊接接头的显微结构，已在生产中得到普遍应用，解决了许多工程中的实际问题[42].但是，由于腐蚀剂的影响和光学显微镜分辨本领及放大倍数的限制，很难对焊接接头的显微组织及其转变机理进行更深人的研究和了解.例如，用不同的腐蚀剂可能显示出不同的组织形态;另外，焊接组织中的第二相、夹杂及显微缺陷等有一些仍无法观察到.
1－拉伸试样；2－面弯试样；3－背弯试样；4－冲击试样；5－金相试样
4
1
2
5
3
3
2
图3.1试样取样位置
Fig.3.1 Location of tested sample
可以说,要制备出完全理想的试验材料只是相对的,本文针对Supre304H和T92钢焊接接头的制备及组织性能的研究做了大量实验,并进行了深入的探索,详细方法及试验数据及结论将在下面介绍.
3.2 焊接工艺评定
表3.1 工艺评定任务书
编号：SDC-01
产品名称Super304H/T92钢管应用范围锅炉再热器和过热器评定项目Super304H/T92钢焊接接头评定目的焊接工艺
钢材基本情况：Super304H钢是新型细晶粒奥氏体耐热钢之一，T92是高合金铁素体热强钢钢材牌号Super304H/T92 类级号 BⅢ/CⅢ规格?45mm×9mm 符合标准 ASME
化学成分（%）材
料
C Mn Si Cr Mo V Ni W B S P S 0.07~0.13≤1.00 ≤
0.03
17.0~19.0 / 7.50~10.50 0.01 ≤0.04 T 0.07~0.13 0.30~0.60 0.05 8.50~9.50 0.30~0.60 0.15~0.25 0.40 1.50~2.00 0.001`~0.006 0.01 0.02
上临界点
（℃）
900-920 下临界点（℃）800-845 焊接性能较差
焊接接头的
基本要求：
抗拉强度Rm
MPa 屈服强度Re
MPa
断后伸长
A %
冷弯?冲击功
J
硬度
HB
≥590 ≥440 ≥30 180 41 ≤250
其他执行标准：DL/T868-2004《焊接工艺评定规程》
评定
单位
评定任务书签发人员及资质
责任姓名资质
（职称）
日期
编制潘英峰2010年01月12
日
审核
批准
30° 表3.2 焊接工艺评定方案
编号：SDC-02
任务书编号 SDC-01 产品名称 锅炉再热器和过热器
评定项目 Super304H/T92钢焊接接
头
评定目的
焊接工艺
评定钢材 钢材牌号 Super304H 与T92
类级别 B 类 Ⅲ级与 C 类Ⅲ级
钢材厚度
9mm
直径 φ45mm
评定钢材成分、性能复合结论 合格
检验报告编号 钢材焊接性 较差 两侧母材成分相差较大且合金含量较
高
验证资料编号
接头型式及焊道设计
接头种类 对接 对口简图： 焊道简图：
坡口形式 V 型 衬垫及其材料 无 焊道设计 8层 焊缝金属厚度
9~11mm
焊接方法 种类
GTAW
自动化程度
手工操作
填充材料和保护气体 焊接材料
焊丝型号 HIG-370
规格 Φ2.4 保护气体 气体 种类 ≥99.9%Ar 流量 8~10L/min /
/
规格
/ 背面 保护 ≥99.9%Ar 流量 9~12/L/min 钨极型号 鈰钨极 规格
Φ2.5 拖后 保护 /
流量 /
其他 无
试件检验项目 检验 项目
外观
无损 探伤
力学性能 弯曲 试验 金相 试验
硬度 其他
抗拉强度
冲击试验
30~35
° 1~2
mm
2.5~
3.5
≥2.5mm
9
要求（有
或无）
有有有有有有有/
焊接位置及试件数量
焊接位置6G(45度固定焊) 试件数量 3
焊接工艺参数
焊层道号
单
层、
单道
焊缝
尺寸
宽×
高
焊接
方法
焊条（丝）电流范围
（气体压力）
电压范围
V（焊距型
号、焊嘴
号）
焊接速
度范围
mm/min
其他
型（牌）号规格
mm
极性
（乙炔
MPa）
电流A
（氧气
MPa）
1~6 TIG HIG-370 Φ2.4 直流正
接
90~110 10~12
7~8 TIG HIG-370 Φ2.4 直流正
接
90~110 10-12施焊技术
无摆动焊或摆动焊摆动焊连弧或断
弧焊
连弧焊运条方式手工运条
根层和层间清理方法手工清理清根方法或单面焊
双面成型
不清根
焊嘴尺寸mm Φ10mm 导电嘴与工件距离mm 4~6其他无
预热
预热温度℃150~200宽度mm 100 层间温
度℃
≤150
预热保持方
式
电阻加热
后热、焊后热处理
热处理种类加热器高温
回火加热温度
范围
760±5℃保持时间
h
1h
加热宽度
mm 焊件全尺寸保温宽度
mm
/ 升温速
度℃/h
/
降温速度℃/h
≤200℃/H
至300℃以
下保温缓冷
其他
评定单位：评定方案编制人员及资质
责任姓名资质
日期
（职称）
编制潘英峰2010年01月
12日
审核
批准
3.3 外观检验
3.3.1 试验材料
根据上述焊接工艺焊接的Supre304H/T92异种钢压力容器管道,试验用3个试样分别编号为TS01、TS02、TS03.如图3.2.
图3.2 T92/Super304H焊接接头照片
3.3.2 检验方法及结果
1 用肉眼观察.无咬边、焊瘤、塌陷、弧坑等缺陷;
2 然后用低倍放大镜进行确认第一部的正确性；
3 最后用游标卡尺量取焊缝各部分尺寸,见表3.3。
表3.3 外观焊缝检验尺寸
序号指标尺寸(mm) 序号指标尺寸(mm) 1 焊缝余高 1 2 焊缝余高差0.2
3 焊缝宽度13
4 焊缝宽窄差 2
5 焊缝高低差 1.5
6 根部凸出 1.5
7 角变形量 2.2
3.3.3 检验结论及分析
根据DL/T 868-2004标准,各项检验结果均符合Ⅰ级标准,可以判定Supre304H/T92异种钢焊接接头质量合格,同时说明试验所用的焊接工艺参数是可行的.
3.4 无损探伤
3.4.1 试验材料
采用外观检验所用的Supre304H/T92异种钢压力容器管道,如图3.1
3.4.2 检验方法及结果
综合试验材料形状及结构分析,采用溶剂去除型渗透探伤法.经检验,焊缝及热影响区近表面内无裂纹\气孔等缺陷.
3.3.3 检验结论及分析
根据JB/T 4730.4--2005标准,经磁粉探伤, Supre304H/T92异种焊接接头符合Ⅰ级标准,可以判定Supre304H/T92异种钢焊接接头质量合格,同时进一步说明了试验所用的焊接工艺参数是可行的.
3.5 焊接接头力学性能（拉伸、冲击）试验
3.5.1 试验材料的制备
按《焊接工艺评定规程DL/T868-2004》要求将Supre304H/T92钢焊接接头加工成拉伸、冲击试样，试样尺寸如图下图所示,其中图3.3为管接头拉伸试样尺寸,图3.4为拉伸接头试样尺寸,图3.5为实际冲击试样照片.
图3.5 冲击试样照片
L
l Ls
3.2
3.2
3.2
12.5
12.5
b
a
12.5 其余
B=b+12
b=12
l=Ls+60或Ls+12 r=25
Ls 为加工后，焊缝的最大宽度；
r 图3.3 管接头拉伸试样
55±0.60
27.5±0.30 0.8
0.8 Ⅰ
0.8
0.8 ┴ 0.2
B
B
10±0.5
┴ 0.1
A 10±0.5
Ⅱ 0.1
A
┴ 0.1 A
8±0.5
A
45°±2°
22.5°±1°
22.5°±1°
R 0.25±0.025
图 3.4 V 型坡口冲击试样
3.5.2 检验方法及结果 (一)拉伸
焊接接头的拉伸试验是在WES-600D 型电子万能试验机上进行的,拉伸示意图如图 3.6所示.
将制成后的试样夹持在夹具上，进行常温拉伸，拉伸速度为O.5mm/min 。随着拉力的增加，试样会发生变形直至断裂,断裂后的形态如图3.7所示。记录下试样拉断时所需要的拉力，再根据试件的截面积换算出抗拉强度/延伸率以及断面收缩率见表3.4.
表3.4 Supre304H/T92钢焊接接头拉伸试验结果
样品编号 规定非比例延伸强度 R p0.2（MPa ） 抗拉强度
R m （MPa ） 延伸率
A （%）
断面收缩率
Z （%） 试样1 370 670 30 70 试样2
400
620
25
30
焊缝
焊缝
T92
Supre304H
Supre304H
断口
断口
T92
图3.7 Supre304H/T92钢焊接接头拉伸断裂后的宏观形态
上夹头
试样 焊縫
下夹头 图3.6 拉伸试验示意图
(二) 冲击
焊接接头的冲击试验是在WES-600D型电子万能试验机上进行的,冲击示意图如图3.8所示.
将试样水平放在试验机支座上,缺口位于冲击相背方向然后将摆锤释放,摆锤冲断试样,在圆盘上读取冲击功填入表3.5.并将冲击断口扫描,照片如图3.9.
表3.5 冲击试验数据
编号冲击部位冲击功A KV（J）TS02-1 焊缝40
TS02-2 焊缝50
TS02-3 焊缝42
TS02-4 HAZ 100
TS02-5 HAZ 85
TS02-6 HAZ 90 H1
H2
图3.8 冲击试验示意图
M
图3.9 冲击断口扫描
3.5.3 试验结论及分析
(1)拉伸试验
试样1拉伸后断裂处在T92母材一侧,说明焊缝强度高于其中一侧母材强度.试样2拉伸后断裂处在焊缝上,根据DL/T868-2004 焊接工艺评议规程有关规定,焊接接头常温拉伸试验结果合格.
(1)冲击试验
TS02-1 \TS02-2\TS02-3焊缝处平均冲击功为42,低于TS02-3 TS02-4 TS02-5HAZ处的冲击功92,冲击断口扫描微观形态成韧窝状韧窝内有析出相.
3.6 弯曲试验
3.6.1 弯曲试验材料的制备
按《焊接工艺评定规程DL/T868-2004》要求将Supre304H/T92钢焊接接头加工成弯曲试样，如图,图3.10为管状试件的面弯试样,图3.11为管状试件的背弯试样.
3.6.2 检验方法及结果
焊接接头的弯曲试验是在WES-600D 型电子万能试验机上进行的,弯曲示意图如图3.12所示.
t
T
t 管
图3.10 管状试件的面弯试样
t
图3.11 管状试件的背弯试样
T
t 管
图3.12 弯曲试验示意图(待画)
调整载物台之间的距离,然后将试样放在载物台上,加载,直至弯曲到180度,弯曲后试样示意图如图3.13所示,试验数据如表3.6所示.
表3.6 弯曲试验结果
序号 样品编号 压头直径（mm ） 支座间距（mm ） 角 度 40 57 180
1 面弯 弯曲试验试样表面完好
2 面弯 弯曲试验试样表面完好 1 背弯 弯曲试验试样表面完好 2
背弯
弯曲试验试样表面完好
3.6.3 检验结论及分析
试样弯曲180度后检查,四个试样内外弯曲表面均无裂纹产生,符合DL/T868-2004 焊接工艺评定规程 中有关规定,接头拉伸试验合格.
3.7 硬度试验
3.7.1 硬度试验材料的制备
按《焊接工艺评定规程DL/T868-2004》要求将Supre304H/T92钢焊接接头加工成硬度试验试样，图3.14为试样的宏观图片.
图3.13 弯曲后试样示意图
图3.14 硬度试验试样宏观图片
3.7.2 检验方法及结果
焊接接头的硬度试验是在TH160型里氏硬度计上进行的,按《焊接工艺评定规程DL/T868-2004》,硬度试验示意图如图3.15.
图3.15 硬度试验示意图
将试样打磨平后,在3个区域(母材\热影响区\焊缝)中分别打5个点,同一区域打点时距离选择 1.5mm,待打完一个点后转动手柄进行数值的读取,重复操作,直至打完所有点,记下每个点的硬度值,记录数据如下表3.7,
表3.7 焊接接头显微硬度值
测点编号
测点位置
1 2 3 4 5
焊缝223 220 234 220 230 HAZ（T92侧）243 258 260 248 259 HAZ（Super304H侧）218 210 211 203 215 母材（T92侧）218 215 219 211 220 母材（Super304H侧）206 208 211 213 205 3.7.3 检验结论及分析
由表3.7数据,焊缝区硬度值最高,约为225HB,热影响区部分虽然T92侧硬度值较高，但总体热影响区硬度小于焊缝处，根据DL/T868-2004《焊接工艺评定规程》中有关规定,焊接工艺评定的硬度试验合格。
3.8 金相检验
3.8.1 硬度试验材料的制备
将Supre304H/T92钢焊接接头进行手工磨光，用抛光机进行抛光，再用腐蚀液进行腐蚀，得到理想的金相试验试样。
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