钢用高韧性焊条的开发及应用
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罗永飞 李昊
摘要： 低合金耐热钢12Cr1MoV焊接预热温度高，给生产应用带来不便，为解决此问题，提出了一种12Cr1MoV用新型焊条，焊条成分设计中采用低碳加钨的方式解决强度与韧性的匹配问题。对焊条进行试验验证，试验结果显示焊条具有12Cr1MoV耐热钢相当的常温力学性能和高温持久强度；同时焊条具有高的抗裂性，在室温（20 ℃）下对厚度超过8 mm以上的12Cr1MoV耐热钢焊接可不预热，且不需要后热消氢。该焊条已在产品生产中得到应用，具有较好的推广价值。
关键词： 新型；焊条；低碳加钨；强韧性
中图分类号： TG422
0 前言
随着燃煤发电锅炉参数和容量的不断提升，锅炉用低合金耐热钢管12Cr1MoV壁厚随之不断增加，特别是集箱筒身用管最厚已达到145 mm。此外，集箱筒身布满大小管接头后耳板等承压承力件，进一步加剧了集箱角焊缝的拘束度。高拘束度厚壁集箱角焊缝焊接面临诸多问题，而焊接冷裂纹的问题尤为显著。工程中焊接冷裂纹问题的主要是通过预热来解决，12Cr1MoVG材料有标准推荐预热温度不小于120 ℃，也有推荐预热温度200～250 ℃。
对于厚壁集箱预热，主要采用天然气火焰、内置式电加热器和感应加热器。采用天然气火焰加热操作较为方便，但工作条件恶劣，同时厚壁集箱加热时间长且难以保温。若采用内置式电加热器或感应加热器，虽然比天然气火焰加热要快，但是设备能耗高，且准备时间较长，使用不方便。集箱管接头的焊接主要采用焊条电弧焊，按照焊接材料匹配选材原则，12Cr1MoV厚壁集箱焊接选用耐热钢焊条R317（E5515-1CMV），焊前预热200～250 ℃。为了解决12Cr1MoV集箱焊接预热问题，提出了一种新型高韧性焊条R317WHR，采用该焊条在室温下焊接厚壁12Cr1MoV集箱可不预热。
1 开发思路及技术路线
预热的目的是避免焊接冷裂纹，如果降低预热温度或不预热，则需要考虑提高焊接过程中接头焊接冷裂纹敏感性。影响焊接冷裂纹的三要素是结构的拘束度、扩散氢与淬硬组织，在集箱结构不变的情况下，焊条开发需从扩散氢和焊缝组织入手，同时考虑熔敷金属强度与韧性匹配、高温持久强度匹配、高温抗氧化性[1]匹配等问题。焊缝组织由成分决定，工程上从成分角度评估材料冷裂纹敏感性主要通过冷裂敏感指数Pcm和碳当量Ceq。
基于以上考虑，提出了12Cr1MoV新型超低氢高韧性耐热钢焊条的基本思路：
（1）控制焊条的扩散氢含量，达到超低氢HDM≤5 mL/100 g（IIW规定，水银法或气相色谱法）。
（2）降低焊条熔敷金属元素碳（C），控制铬（Cr）、钼（Mo）、钒（V）的含量，即实现降低焊条熔敷金属冷裂敏感指数（Pcm）和碳当量（Ceq），提高焊条的抗冷裂性和韧性。
（3）严格控制杂质元素硫（S）和磷（P）的含量，增强晶界结合强度，降低焊条的热裂纹倾向，提高焊条的抗热裂性。
（4）由于降低了C和控制了Cr，Mo，V等元素的含量，势必引起焊条熔敷金属持久强度的下降，为了弥补持久强度的下降，所以在焊条中加入适量的金属元素钨（W），利用W、Mo联合固溶强化，确保新焊条在560 ℃以下高温持久强度不低于12Cr1MoV钢的要求，同时兼顾焊条熔敷金属的抗氧化性。
（5）新焊条应具有良好的焊接工艺性，如飞溅少，易脱渣等。
整理上述思路，获得图1所示的技术路线。
R317WHR焊条焊芯采用H08A材质盘元，与R317一致，熔敷金属合金成分的调整主要通过药皮成分调整实现， R317WHR焊条熔敷金属成分范围与R317对比见表1。
2 焊接试验验证
在确定焊材配方及熔敷金属成分后，对焊材性能进行测试验证，主要包括典型组分的常温力学性能，扩散氢含量，冷裂纹敏感性和高温持久性能。
2.1 典型组分的常温力学性能试验
根据表1熔敷金属成分范围要求，试制了多批次规格为4.0的R317WHR焊条，并且按GB/T 5118《热强钢焊条》的要求进行了熔敷金属力学性能试验，焊后热处理730±15 ℃/120 min，熔敷金属化学成分见表3，常温力学性能见表4。试验结果显示，随着合金元素含量的降低，特别是随着强化元素C， W的下降，熔敷金属强度下降，接近标准下限但符合标准要求，延伸率和冲击值大幅提高，改进后R317WHR焊条韧塑性远高于改进前R317焊条标准要求。
2.2 擴散氢测定
选择表3中典型成分3号焊条，根据GB/T 3965—1995《熔敷金属中扩散氢测定方法》，烘干380 ℃×2 h，采用气相色谱法测得焊条熔敷金属扩散氢含量为3.34 mL/100 g，3.25 mL/100 g，3.93 mL/100 g，4.20 mL/100 g，都在超低氢规定范围内（HDM≤5 mL/100 g）。
3号焊条烘干380 ℃×1 h，采用甘油法测得焊条熔敷金属扩散氢含量为0.58 mL/100 g，1.02 mL/100 g，也在超低氢规定范围内（H≤2 mL/100 g）。
2.3 斜Y小铁研试验
选择表3中典型成分2号焊条，根据GB4675.1《焊接性试验 斜Y型坡口焊接裂纹试验方法》，采用12Cr1MoV钢，试板厚度为40 mm制备斜Y小铁研标准试件，每个编号焊接2组试件。试件在放置48 h后，试验焊缝检验结果见表5，只有C试件预热温度≤5 ℃时，出现裂纹，其余试件断面和根部都无裂纹。试验结果表明：在不低于10 ℃的常温环境条件下（标准要求焊接作业环境温度）， R317WHR焊条焊接厚壁12Cr1MoV钢不会出现焊接冷裂纹。
2.4 焊条熔敷金属和接头高温（560 ℃）持久强度试验
选择表3中2号焊条，焊接12Cr1MoV钢对接接头试板2组，焊前不预热（常温20 ℃），焊后热处理（730±15） ℃×2.5 h，经过超声波（UT）Ⅰ级+射线（RT）Ⅱ级+磁粉（MT）Ⅰ级检查，对接接头焊缝合格。选取一组试板，沿焊接方向、同一轴线上取3根熔敷金属试棒；另一组试板，在試板1/2厚度位置，沿试板宽度方向取3根焊接接头试棒，按照GB/T 2039—1997《金属拉伸蠕变及持久试验方法》开展熔敷金属及焊接接头的持久试验。熔敷金属持久试验后试样照片如图2所示，焊接接头持久试验后试样照片如图3所示试验结果如图4所示。
试验结果显示，熔敷金属高温持久强度远高于焊接接头高温持久强度，焊接接头试样全部断裂于12Cr1MoV母材，反映R317WHR熔敷金属持久强度高于母材持久强度。
3 实际应用验证
为了进一步验证R317WHR的冷裂纹抗裂性，开展了产品工艺模拟焊接试验，验证了与产品一致的应用条件，分为集箱筒身对接环缝，大管接头与筒身角接缝，小管接头与筒身角接焊缝。模拟件焊接及检验如表6所示，对不同类型接头焊接完成后放置24 h，探伤未发现任何缺陷。进一步考察焊缝内部质量，对不同接头取金相试样进行检验，未发现任何缺陷。
按NB/T47016要求对两队环缝试样进行检验，结果如表7所示，满足标准要求。
产品模拟试验过程表明，在室温（≥20 ℃）的条件下，R317WHR焊条不论是用于12Cr1MoV钢对接焊，还是应用12Cr1MoV钢角接焊，焊接接头均不会产生冷裂纹，且接头力学性能符合标准要求。
4 结语
通过上述电站锅炉高温承压件12Cr1MoV钢常温（20 ℃）焊接用R317WHR焊条的开发过程以及各项数据，可以得到以下结论和启示：
（1）开发的R317WHR焊条可在常温（20 ℃）环境下焊接12Cr1MoV钢，不需要焊后后热消氢。
（2）电站锅炉承压件用焊材开发不仅要进行焊接工艺性和常规力学性能试验，而且还应进行抗裂性和高温持久强度等试验。
（3）高校、焊材企业和应用企业应紧密合作，各用所长，有利于新焊材的开发，文中焊材开发过程，为更高参数电站锅炉用焊材顺畅研发有较好的借鉴作用。
参考文献
[1] 中国机械工程学会焊接学会编. 焊接手册（第2卷）：材料的焊接（第3版）[M]. 北京： 机械工业出版社，2007.