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摘要：新型耐热钢一般分为铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢两大类，文章以CB2焊接和热处理为例，介绍了如何解决新型铁素体耐热钢的焊接问题，并取得了良好的应用效果。
关键词：耐热钢；焊接；热处理工艺
现今火电机组的发展方向是在向着高参数太容量方向发展，并且蒸汽温度和压力也在进一步提高，所以我们因为以上原因开发了一些新型耐热钢，新型耐热钢一般分为铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢两大类。其中，近年来，我国不断努力并成功研发了一种新型铁素体系耐热钢ZG12Cr9Mo1Co1NiVNbNB（CB2），它具有良好的强度、韧性、抗蠕变性、优异的高温抗氧化性和耐腐蚀性能，工作温度达620℃，可代替T/P92应用于火力发电厂热力系统的设备中，但是此类钢材的应用还处于初级阶段，对其焊接性的研究文献极少，更没有此类钢材的现场焊接和热处理经验，因此，新型耐热钢CB2焊接及热处理工艺的研究是目前火电建设施工技术领域亟待解决的问题。
1.CB2钢焊接性能分析
1.1 CB2钢化学成分及力学性能分析
ZG12Cr9Mo1Co1NiVNbNB（CB2）钢是在P91钢基础上加入1.27％的Co，同时加入少量的Nb和B，适当增加Mo的含量得到的，目的是为了提高钢材的高温力学性能，其化学成分及力学性能分别见表1和表2。
表1 CB2钢化学成分（质量分数）（％）
1.2 CB2钢的焊接性分析
（1）焊接热裂纹敏感性 CB2钢的合金成分中含有S，P等不利于焊接的元素，再加上热应力作用的双重影响，就可能在CB2钢的焊接结晶末期产生热裂纹。但由于CB2钢合金程度高，其B，S含量低，Mn含量高，这些因素共同决定了其在施焊冷却过程中，随着温度的降低，导致产生的低熔点共晶物很少，又由于其自身线膨胀系数小，因此，CB2钢产生结晶裂纹的倾向并不大[1]。
（2）焊缝和热影响区冷裂纹敏感性 CB2临界冷却速度低，奥氏体稳定性很大，冷却时不易发生正常的珠光体转变，从而冷却到较低温度时发生了马氏体转变。正由于此，其淬硬和冷裂倾向很大。同时焊接热循环作用下，由于组织及性能的变化，加上受到扩散氢和焊接应力的影响，焊缝和热影响区金属可能发生冷裂纹，选择低氢性焊材和通过控制好层间温度和焊前预热，就能有效地防止产生冷裂纹。
（3）焊接接头的脆化 如果在施焊过程中，前一个焊道落在后一个焊道740℃以下（特别是550℃）的热影响区区域内，焊接接头的冲击韧性就会显著下降。因此，在焊接过程中应尽量使先焊焊道落在后焊焊道750℃以上的热影响区内，即每层焊缝的厚度必须适当。
（4）热影响区晶粒长大 焊接热循环对焊接接头热影响区的晶粒长大有重大影响，特别是紧邻加热温度达到最高的熔合区。当冷却速度较小时，在焊接热影响区会出现粗大的块状铁素体和碳化物组织，使钢材的塑性明显下降；冷却速度大时，由于产生了粗大的马氏体组织，也会使焊接接头塑性下降。因此，在焊接时需控制好层间温度[2]。
2. CB2钢焊材的选用
通过对CB2钢材的化学成分充分分析和各性能详细研究，并对所有相关类似的焊接材料经过严格筛选匹配，认为伯乐公司的焊丝MTS616及焊条MTS5Co1满足CB2钢的材质成分及性能的要求。
焊丝MTS616适用于P92，Nf616等9％Cr耐高温、抗蠕变用钢的焊接，其具有良好的焊接工艺性能，可获得满意的蠕变断裂强度和冲击韧性，熔敷金属的化学成分及焊缝金属的力学性能见表3及表4。
表3 焊丝MTS616熔敷金属化学成分（质量分数）（％）
3. CB2钢焊接工艺试验
工艺初步制订：打底焊采用GTAW，选用焊丝MTS616/准2.4mm，焊接电流控制在80～140A；填充焊采用SMAW分层分道焊接，选用准3.2mm的焊条MTS5Co1，焊接电流控制在80～120A，焊接过程中严格控制层间温度在200～300℃。焊后进行2次热处理，恒温温度控制在730～750℃，升温速度小于80℃/h，降温速度小于60℃/h。
试验管道材质为CB2钢，规格为准273mm×40mm，坡口形式为U形，采用GTAW＋SMAW焊接方法，采用相同的焊接工艺焊接3组试件。具体工艺方案见表7。
表7 CB2钢热处理工艺方案
焊接及热处理完成后，对3组试件进行外观检查及超声波无损检测，3组试件全部评为合格。按DL/T868—2014《焊接工艺评定规程》进行了拉伸、弯曲、冲击力学性能试验以及金相试验、硬度检测[3]，具体结果如下：
对3组试件进行拉伸试验，其每组平均抗拉强度如图1所示，由图1可知，未经焊后热处理的CB2钢抗拉强度值最低，随着高温回火热处理次数的增加，CB2钢焊接接头抗拉强度有逐渐减小的趋势，但减小不大，所以，二次回火对CB2钢焊接接头的强度影响不大。图1为 3组试样抗拉强度的变化曲线。
图1 3组试样抗拉强度的变化曲线
对3组试样进行弯曲试验，结果显示未进行回火的CB2钢焊接接头试样在焊缝金属区域出现裂纹，而经过一次回火及二次回火的CB2钢焊接接头试样弯曲试验全部合格，因此，经过回火的CB2钢焊接接头满足试验要求，回火热处理能够改善CB2钢焊接接头塑性。
对3组试样进行冲击试验，每组试样的平均冲击吸收功如图2所示。
图2 3组试样焊缝与热影响区冲击吸收功的变化曲线
由图2可知，未经焊后热处理的焊缝冲击韧性最差，随着回火次数的增加，CB2钢焊缝及热影响区韧性明显提高。将3组金相试样进行对比，如图3所示。
（b）一次回火热处理
（c）二次回火热处理
图3 热处理对焊缝组织的影响300×
未经热处理的CB2焊缝组织为板条状的低碳马氏体，部分马氏体组织比较粗大，经过回火的焊缝组织均为典型的回火板条马氏体组织，马氏体板条较为细密，马氏体板条界面较多。但是随着回火次数的增加，焊缝及热影响区组织晶界逐渐清晰，焊缝马氏体组织在回火中逐步分解成碳化物，并且逐渐长大，使得焊缝组织晶界得到强化，组织本身的淬硬性降低。所以材料的塑性、韧性得到提高，强度降低。对3组试样进行硬度检测，3组试件平均硬度值如图4所示。
图4 3组试样焊缝与热影响区硬度值的变化曲线
由图4可见，CB2钢焊接接头热影响区未热处理、一次回火及二次回火硬度值变化不大，而焊缝金属硬度值在二次回火热处理后与母材CB2钢硬度值接近[4]。通过试验对比：未经热处理的CB2钢焊接接头力学性能较差，抗拉强度较低，冲击吸收功较小，塑性较差，硬度值超标，金相组织出现低碳马氏体组织，因此，未进行回火热处理的焊接接头不能满足使用条件。而经过二次回火热处理的试样较一次回火热处理的试样力学性能得到提高，冲击吸收功明显提高，硬度值得到改善，金相组织中碳化物弥散强化、位错强化及板条马氏体强化达到很好的状态，因此，经过二次回火的CB2钢焊接接头力学性能及使用性能达到最优的状态，现场施工建议按此工艺进行施工。
4.结论
综上所述，CB2新型耐热钢具有良好的强度、韧性、优异的高温抗氧化性和耐腐蚀性能，可代替T/P92 应用于火力发电厂热力系统的设备中。文章研究分析了如何科学提高耐热钢热处理的质量，从实际焊接工艺中总结出CB2的焊接性及焊接工艺，形成一套完整的施工工艺方法，最终达到焊接工艺评定的要求，同时提高了机组的安装质量、保证了机组稳定运行，取得了显著的经济效益和社会效益。
参考文献：
[1] 王晓春. 超超临界机组锅炉用新型耐热钢的焊接[J]. 工业：00020-00020.
[2] 本刊讯. 常用新型耐热钢[J]. 涟钢科技与管理，2013（2）：50-50.
[3] 朱玉蓉，范洪远，孙兰，等. 正火温度对CB2耐热钢组织和性能的影响[J]. 热加工工艺，2015（14）：224-226.
[4] 何洪杰，盛光敏，焦英俊，等. 焊后热处理对CB2耐热钢焊接头组织及力学性能的影响[J]. 金属热处理，2018（2）.
论文作者:刘志全
论文发表刊物:《电力设备》2018年第30期
论文发表时间:2019/3/27
标签：耐热钢论文; 试样论文; 组织论文; 抗拉强度论文; 裂纹论文; 硬度论文; 金相论文; 《电力设备》2018年第30期论文;