SA-213T23焊接工艺及热处理工艺的研究及应用
银润邦 刘志勇 潘乾刚 高宏鸣
东方锅炉（集团）股份有限公司 四川省自贡市 643001
STUDY AND APPLICATION OF WELDING PROCEDURE AND PWHT TECHNICS OF SA-213T23
Yin Runbang Liu Zhiyong Pan Qiangang Gao Hongming
DONGFANG BOILER GROUP Co. ,LTD
ABSTRACT: This work reports research concerning the weldability of SA-213T23. three kinds of butt joint were welded by GTAW and weld wire of UnionIP23, T-HCM2S, H10Cr2MnMoWVTiBA respectively, the butt joint properties was researched and feasibility of welding SA-213T23 with H10Cr2MnMoWVTiBA was analysed, the temperature and keep time of heat-treatment was ascertained by analysing the influence of heat -treatment parameter to the properties of weld metal and HAZ .
KEY WORD： SA-213T23 ; weldability ; PWHT
摘要：本文在通过实验分析SA-213T23管材的焊接性的基础上研究了三种焊丝UnionIP23（蒂森）、T-HCM2S(住友)和H10Cr2MnMoWVTiBA（国产）焊接SA-213T23钢管的工艺性，研究了各种焊材对应的焊接接头的性能，及用国产焊丝H10Cr2MnMoWVTiBA焊接SA-213T23的可行性；同时研究了焊后热处理规范对焊缝和焊接热影响区硬度的影响，并确定了相应的热处理温度的范围和保温时间。
关键词：SA-213T23；焊接性；焊后热处理
1. 前言：
SA-213T23（HCM2S）是日本住友金属株式会社在我国G102（12Cr2MoWVTiB）基础上，将碳含量从0.08-0.15%降至0.04-0.10%以改进材料的焊接性能，Mo含量从0.50-0.65%降至0.05-0.30%，W量从0.30-0.55%升至1.45-1.75%，并形成以W为主的W-Mo的复合固溶强化，加入微量Nb和N形成碳氮化物弥散沉淀强化，而研制成功的低碳低合金贝氏体型耐热钢。SA-213T23钢管综合性能良好，其最高使用温度为600℃，可用于制造大型亚临界电站锅炉金属壁温不超过600℃的过热器和再热器；或用作超超临界锅炉的水冷壁材料。目前SA-213T23钢已经在我国锅炉制造中得以应用，并且具有相当好的应用前景。
由于SA-213T23的使用，必然涉及到该种材料的焊接，这就需要我们考虑其焊接性能。据有关资料[6]介绍SA-213T23钢碳含量低，具有良好的焊接性能。为了实现该材料的焊接，多家公司投入大量的财力物力进行相应焊接材料的研发，目前已经研制出多种焊材，如用于钨极气体保护焊焊丝的Thyssen-Bohler、UnionIP23、T-HCM2S等。目前T23与12Cr1MoVG、SA-213T91等异种钢对接在我国锅炉制造中已经得到较好的应用，但就T23自身焊接的研究在国内还不多，因此其焊接性在实际应用中究竟如何，以及不同厂家所提供的焊接材料的性能如何还需要通过试验来验证和分析。本文我们主要对UnionIP23、T-HCM2S和H10Cr2MnMoWVTiBA三种焊丝进行了相关的研究。
由于进口焊材价格很昂贵，从经济性考虑，我们想寻找一种价格较低的国产焊材来替代进口焊材。因为G102与T23性能相近，且都用于相同的工作环境下，并且G102在我国锅炉中成功应用多年，据电厂反馈的信息，G102接头在高温运行中性能良好。因此我们选用价格低廉的国产焊丝H10Cr2MnMoWVTiBA进行T23的焊接，分析其替代进口焊丝UnionIP23（蒂森）和T-HCM2S(住友)焊丝是否可行，若可行应在工艺方面注意哪些问题。
由于T23应用于不同部件，有时候根据实际情况部件需要整体热处理，而不同的部件的热处理温度往往不相同，据ASME推荐，T23若在焊前进行了149℃以上的预热，焊后可不进行热处理，反之在693℃下热处理保温15min至1h/1英寸，相关资料[6]推荐的T23的热处理温度为700－730℃，那么不同的热处理温度对焊缝性能的影响怎样，焊后热处理温度在什么范围比较合适，这些都需要我们在试验中加以研究。
2. 试验内容
2.1 试验材料
选用SA-213T23小口径钢管及焊丝UnionIP23（蒂森）、T-HCM2S(住友)和H10Cr2MnMoWVTiBA，SA-213T23的力学性能及化学成分见下表1、表2。
表1 SA-213T23管子的力学性能
|
屈服强度(Mpa)
|
抗拉强度(Mpa)
|
硬度（HB）
|
|
≥400
|
≥510
|
≤220
|
表2 SA-213T23管子的化学成分
|
钢种
|
C
|
Si
|
Mn
|
P
|
S
|
Cr
|
Mo
|
N
|
V
|
Nb
|
B
|
AL
|
W
|
|
SA-213T23
|
0.04～
0.10
|
≤
0.50
|
0.10-
0.60
|
≤
0.03
|
≤
0.01
|
1.9～2.6
|
0.05～
0.30
|
≤
0.03
|
0.20～
0.30
|
0.02～
0.08
|
0.0005～0.0060
|
≤
0.030
|
1.45～
1.75
|
2.2 试样的加工：
SA-213T23分为7组，各组试件代号为：E04-91、E04-92、04-93、E04-9C、E04-9D、04－94、05－116。其中E04-91、E04-92、04-93、E04-9C、E04-9D按图1加工，用于热丝TIG焊，04－94、05－116按图2加工，用于手工氩弧焊。
试件按表3进行分类焊接，焊前进行坡口清理，焊前不需预热焊后按不同规范进行焊后热处理。
表3 试件的分类及焊接
|
项目
母材
|
试样编号
|
使用焊丝及规格
|
焊接方法
|
电极极性
|
焊接电流（A）
|
电弧电压（V）
|
焊后热处理规范
|
|
SA-213T23
|
E04-91
|
UnionIP23
φ1.0
|
热丝TIG焊
|
直流正接
|
120-190
|
8-12
|
715±15℃/
60±20min
|
|
SA-213T23
|
E04-92
|
UnionIP23
φ1.0
|
热丝TIG焊
|
直流正接
|
120-190
|
8-12
|
740±15℃/
60±15min
|
|
SA-213T23
|
04-93
|
UnionIP23
φ1.0
|
热丝TIG焊
|
直流正接
|
120-190
|
8-12
|
740±15℃/
100±15min
|
|
SA-213T23
|
E04-9C
|
T-HCM2S
φ1.0
|
热丝TIG焊
|
直流正接
|
120-190
|
8-12
|
715±15℃/
60±15min
|
|
SA-213T23
|
E04-9D
|
T-HCM2S
φ1.0
|
热丝TIG焊
|
直流正接
|
120-190
|
8-12
|
740±15℃/
60±15min
|
|
SA-213T23
|
04－94
|
UnionIP23
φ2.4
|
手工钨极氩弧焊
|
直流正接
|
90-140
|
16-22
|
740±15℃/
100±15min
|
|
SA-213T23
|
05-116
|
H10Cr2MnMoWVTiBA φ2.5
|
手工钨极氩弧焊
|
直流正接
|
90-140
|
16-22
|
740±15℃/
60±15min
|
3.试验结果及分析：
3.1 SA-213T23管材焊接性的分析
表4 母材化学成分实测平均值
|
母材
|
C
|
Si
|
Mn
|
P
|
S
|
Cr
|
Mo
|
N
|
V
|
Ni
|
B
|
Cu
|
W
|
|
平均值
|
0.07
|
0.245
|
0.38
|
0.010
|
0.0025
|
2.41
|
0.11
|
0.01
|
0.27
|
0.015
|
0.002
|
0.01
|
1.455
|
由上表可见母材化学成分实测值在所给标准值范围内。由于低合金耐热钢焊接常存在的问题主要是冷裂纹，热裂纹也是焊接生产中常见的一种裂纹缺陷。这里我们就主要从T23产生冷裂纹、和结晶裂纹的倾向大小进行T23的焊接性能的分析。
我们知道淬硬组织是引起冷裂纹的决定因素，淬硬倾向与冷裂纹敏感性有着密切的关系，而淬硬倾向又主要取决于化学成分，其中以C的作用最为明显。钢种的碳当量越高，淬硬倾向越大，即增大冷裂纹的敏感性[1]。由表4的母材化学成分实测值我们可以计算出其CEN值，为了更具体和更感性地了解其冷裂纹倾向的大小我们给出了锅炉制造中常用的15CrMo和G102的CEN值以作比较。我们这里采用CEN的碳当量公式[2、3]，该公式是20世纪80年代日本钢管公司N.YURIOKA和S.OHSHITA提出的，适合于Cr-Mo-W系列低合金耐热钢.
CEN=w（C）+A(C)｛ w（Si）+ w（Mn）＋ w（Cu）＋ w（Ni）＋ w（Cr＋Mo+V ＋Nb）＋5w（B）｝
CEN值见表5：
由于根据具体材料的实测值计算CEN值不具有普遍性，为了能普遍反映材料的淬硬性，我们可根据材料标准化学成分的上限值计算出其最大CEN值，见表5。
表 5 CEN值
|
具体材料实测值的CEN值
|
材料标准值的最大CEN值
|
|
钢种
|
W(C)
|
A(C)
|
CEN
|
钢种
|
W(C)
|
A(C)
|
CEN
|
|
T23
|
0.07
|
0.56
|
0.46
|
T23
|
0.10
|
0.655
|
0.58
|
|
15CrMo
|
0.14
|
0.845
|
0.42
|
15CrMo
|
0.18
|
0.958
|
0.55
|
|
G102
|
0.12
|
0.754
|
0.58
|
G102
|
0.15
|
0.884
|
0.81
|
由上表可见，T23的CEN比15CrMoG略高，比G102低得多。可以推断其冷裂纹倾向比G102低，略高于15CrMoG钢。另外,热影响区的硬度也是评定淬硬倾向的一个简便办法，由表8可知焊接接头的热影响区的硬度都较低,甚至低于一般铁素体钢，因此可以认为该种钢不易出现冷裂纹，具有较好的抗冷裂纹性能。
结晶裂纹是焊接生产中常见的一种裂纹缺陷，从一般常用的低碳钢、低合金钢到奥氏体不锈钢都有产生热裂纹的可能，结晶裂纹多是由能形成低熔点的杂质元素引起，在低合金钢中S、P是常见的形成低熔共晶的元素，而C在钢中能加剧S、P的有害作用，因此为了提高抗热裂纹能力，通常希望有比较低的含碳量和比较高的Mn/S比，一般认为当w（Mn）3/w（S）＞6.7[4]时能提高抗裂性，我们通过表5可知T23的w（Mn）3/w（S）＝21.9远大于6.7，可以认为T23具有良好的抗结晶裂纹性能。
3.2 焊丝UnionIP23、T-HCM2S和H10Cr2MnMoWVTiBA焊接T23性能的分析
3.2.1接头熔敷金属的化学成分及力学性能
UnionIP23、T-HCM2S和H10Cr2MnMoWVTiBA三种焊丝对应的接头（分别用代号U,T,H来表示）熔敷金属的化学成分实测平均值见表6，力学性能见表7
表 6 接头熔敷金属的化学成分实测平均值
|
接头
|
C
|
Si
|
Mn
|
P
|
S
|
Cr
|
Mo
|
N
|
V
|
Ni
|
B
|
Cu
|
W
|
|
U
|
0.05
|
0.17
|
0.36
|
0.0135
|
0.003
|
2.09
|
0.155
|
0.0135
|
0.21
|
0.09
|
0.002
|
0.085
|
1.525
|
|
T
|
0.065
|
0.31
|
0.68
|
0.0085
|
0.002
|
2.38
|
0.13
|
0.01
|
0.30
|
0.575
|
0.0014
|
0.255
|
1.52
|
|
H
|
0.05
|
0.55
|
0.72
|
0.012
|
0.005
|
2.27
|
0.50
|
－
|
0.34
|
－
|
0.003
|
－
|
0.48
|
表7 接头性能
|
接头类型
|
拉伸断裂位置
|
弯曲结果
|
组织
|
|
U
|
焊外
|
正反弯50°均未裂
|
回火贝氏体
|
|
T
|
焊外
|
正反弯50°均未裂
|
回火贝氏体
|
|
H
|
焊外
|
正反弯50°均未裂
|
回火贝氏体
|
注 1）沿焊缝横向切取焊接接头全截面试样(按《蒸汽锅炉安全技术监察规程》制备),拉伸试验按GB228《金属拉伸试验方法》规定的方法进行。
2）弯曲试样按《蒸汽锅炉安全技术监察规程》制备，弯曲试验按GB232《金属弯曲试验方法》规定的方法进行。
3.2.2焊材与母材的匹配性
由表6可知，UnionIP23、T-HCM2S两种焊丝对应接头的熔敷金属的主要化学成分在所给母材化学成分标准值的范围之内，这具备了接头与母材具有基本相同的抗氢性和抗高温氧化性的条件。H10Cr2MnMoWVTiBA焊丝对应接头的熔敷金属中Mo含量比母材高，W含量低于母材, Mo可以代替W的强化作用。另外由拉伸试验可知，断裂发生在母材上，说明接头的强度不低于母材，弯曲未发现裂纹，其塑性符合锅规要求，由金相可知组织均为贝氏体，与母材组织相同，这都是符合低合金耐热钢焊接材料选配原则的。
3.2.3选用焊材在防止裂纹方面的性能
为了提高焊缝金属的抗裂性能，一般将焊材的C含量控制在低于母材的C含量，从熔敷金属的化学成分与母材的化学成分实测值的比较可知，三种焊丝焊接接头的熔敷金属的C含量均低于母材的C含量 ，其相应接头的CEN值也低于母材的CEN值，所以，接头的抗冷裂性能较母材更好。一般认为，为了提高焊缝金属的抗热裂纹能力，焊缝金属的w（C）最好不超过0.12％，w（Mn）/w（S）＞30[4]，我们从结果值可见，UnionIP23、T-HCM2S和H10Cr2MnMoWVTiBA焊接接头熔敷金属的C含量分别为0.05％、0.065％和0.05％，远低于0.12％，w（Mn）/w（S）分别为：120，340，144所以可以认为这三种焊丝焊接T23具有良好的抗结晶裂纹能力。在试验中所有试件焊后经射线探伤及宏微观检查均未发现裂纹，这也验证了其抗裂性较好。
3.3 热处理温度和保温时间对焊缝性能的影响及热处理规范的确定
3.3.1 热处理温度对焊缝硬度的影响及热处理温度的确定
E04-9C和E04-9D为相同的焊接规范焊接，不同热处理温度和相同保温时间下热处理； 05-116分为热处理和未热处理两种情况，其硬度值见表8
表8 不同热处理温度下的硬度值
|
编号
|
位置
|
最大硬度值
|
平均硬度值(HV)
|
焊缝与母材硬度最大差值(HB)
|
热影响区与母材最大差值(HB)
|
|
E04-9C
|
W
|
288（HV）/273(HB)
|
286.3
|
91
|
99
|
|
H
|
297（HV）/280(HB)
|
296.3
|
|
B
|
195（HV）/186(HB)
|
193.7
|
|
E04-9D
|
W
|
227（HV）/216(HB)
|
224.3
|
50
|
50
|
|
H
|
227（HV）/216(HB)
|
225.7
|
|
B
|
187（HV）/178(HB)
|
172
|
|
05-116
热处理前
|
W
|
311.7（HV）/294(HB)
|
301.2
|
131
|
106
|
|
H
|
284.7（HV）/269(HB)
|
267.2
|
|
B
|
189.7（HV）/181(HB)
|
185.4
|
|
05-116
热处理后
|
W
|
227.5（HV）/216(HB)
|
224.4
|
52
|
22
|
|
H
|
195.5（HV）/186(HB)
|
190.1
|
|
B
|
185.7（HV）/177(HB)
|
180.6
|
注：W：焊缝,B:母材,H:热影响区
由表8可见在较高的温度下进行热处理后，相应的硬度值低于在较低温度下热处理（或不热处理）的硬度值，且焊缝、热影响区的硬度值与母材硬度值的最大差值（即焊缝、热影响区最大硬度值减去母材最小硬度值）也相应降低。
火力发电厂焊接技术规程[5]要求：同种钢焊接接头热处理后焊缝的硬度不超过母材布氏硬度值加100HB，同时合金元素总量在3％-10％时，硬度值不超过300HB，由表8知T-HCM2S对应接头在715±15℃和740±15℃下的硬度值均满足电建规对硬度值的要求，在740±15℃的温度下进行热处理后，相应的硬度值低于715±15℃下热处理的硬度值。但是T-HCM2S对应接头在715±15℃下热处理的热影响区的硬度与母材硬度值差接近100HB，所以为了在生产中能确保硬度值满足要求，热处理温度应高于715±15℃。
H10Cr2MnMoWVTiBA对应接头05-116，热处理前焊缝硬度值较高，焊缝、热影响区的硬度值与母材硬度值的最大差值分别为：131和106,所以不热处理时焊缝和热影响区硬度值不符合电建规要求。热处理后硬度值有了明显的下降，其硬度值满足电建规的要求。
按ASME code case 2199的规定当厚度小于16mm、预热温度不低于149℃的条件下进行管子对接时可不用热处理，如果热处理，热处理温度选用不小于677℃。再考虑到T23的AC1，选用715－770℃的温度进行热处理是可以满足相关技术要求的。由表8可知H10Cr2MnMoWVTiBA对应接头在不热处理时，焊缝硬度值偏高，在实际生产中应选用715－770℃区间中的较高温度。
3.3.2热处理保温时间对硬度值的影响
E04-92和04－93为同样焊接方法和焊接规范下焊接的试样，其热处理温度相同保温时间不同。热处理后的硬度值见表9
表9不同保温时间下的硬度值
|
编号
|
位置
|
最大硬度值（HV）
|
平均硬度值(HV)
|
|
E04-92
|
W
|
210
|
198
|
|
H
|
210
|
198
|
|
B
|
192
|
186
|
|
04-93
|
W
|
203
|
201.7
|
|
H
|
187
|
185
|
|
B
|
180
|
178
|
注：W：焊缝,B:母材,H:热影响区
从E04-92和04-93的硬度值的比较可知，延长热处理保温时间焊缝和热影响区的最高硬度值有所下降，但下降幅度不大，平均硬度值变化不明显。其硬度值均符合电建规的相关技术要求。因此从节约工时与成本考虑，T23小口径管热处理保温时间不必要过长。
3.3.3 自动焊（热丝TIG焊）与手工钨极氩弧焊两种焊接方法对硬度值的影响
04-93为热丝TIG焊焊接，04-94为手工钨极氩弧焊焊接，其硬度值见表10
表10 相同热处理规范不同焊接方法下的硬度值
|
编号
|
位置
|
最大硬度值（HV）
|
平均硬度值(HV)
|
|
04-93
|
W
|
203
|
201.7
|
|
H
|
187
|
185
|
|
B
|
180
|
178
|
|
04-94
|
W
|
211
|
208.3
|
|
H
|
187
|
185
|
|
B
|
180
|
178
|
注：W：焊缝,B:母材,H:热影响区
由表10可见，热丝TIG焊和手工钨极氩弧焊焊后进行相同规范的热处理后，其硬度值相近。
4. 用国产焊丝H10Cr2MnMoWVTiBA焊接SA-213T23的可行性分析
4.1化学成分分析
H10Cr2MnMoWVTiBA的C含量比母材SA-213T23略高， Mo含量比母材高，W含量低于母材, Mo可以代替W的强化作用。其它化学成分与母材T23十分相近。
4.2力学性能
4.2.1室温力学性能
由室温拉伸、弯曲试验及硬度值的测试可知，H10Cr2MnMoWVTiBA焊接T23管子，其常温力学性能满足锅规及电建规的要求，见表7。
4.2.2高温力学性能
高温性能我们可以通过相关资料提供的数据来加以分析，而资料更多给出的是母材G102的高温性能， 由于H10Cr2MnMoWVTiBA焊接的G102接头在锅炉长期运行中证明其高温性能良好，据电厂反馈的信息G102接头性能优于G102母材，因此，我们可通过G102与T23的高温性能作以比较，来考察用H10Cr2MnMoWVTiBA焊接T23的接头高温性能能否与母材T23接近。从表11我们通过母材G102、G102电焊接头和母材T23的持久强度值作以比较，发现G102及其电焊接头在600℃下的σ 高于母材SA-213T23，625℃下G102的持久强度值比T23更高，所以，可以认为H10Cr2MnMoWVTiBA所焊T23接头的持久强度应高于母材T23。由表12可知高温抗氧化性能G102比T23更好
表11 600℃下的持久强度值σ
|
温度
|
电焊方法焊接的G102接头
|
母材G102
|
母材T23
|
|
600℃
|
103MPa
|
92 MPa
|
82 MPa
|
|
625℃
|
/
|
64MPa
|
55MPa
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表12 高温抗氧化性能
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G102（600℃、1年）
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T23(600℃、500h)
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0.0897mm
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0.084mm
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表12、表13中的数据来自《国内外大容量高参数锅炉管材用钢资料汇编》[6]和《锅炉受压元件用钢性能手册》[7]
由以上的讨论和分析可知，H10Cr2MnMoWVTiBA焊接T23管子，其常温力学性能满足锅规及电建规的要求，从资料《国内外大容量高参数锅炉管材用钢资料汇编》和《锅炉受压元件用钢手册》提供的数据分析可得出接头的持久强度和高温抗氧化性能也不低于母材T23。因此H10Cr2MnMoWVTiBA焊丝焊接T23管子是可行的
5. 经济效益和社会效益及推广应用情况
母材焊接性的分析，及试验结果我们可以得出SA-213T23焊前不用预热，这样不仅可以节约工时和成本而且可以大为改善工人的工作环境。
H10Cr2MnMoWVTiBA焊T23在经济性方面有着十分明显的优势，用H10Cr2MnMoWVTiBA替代UnionIP23和T-HCM2S焊接T23有着十分好的应用前景。
对热处理保温时间的确定可以在生产中规定一个较佳的热处理保温时间，不必保温时间过长，可在一定范围内节约能耗和工时。
东方锅炉（集团）股份有限公司已经在金竹山、阳城等工程的热段再热器部件中应用了T-HCM2S和UnionIP23焊丝进行SA-213T23的对接焊，在生产中根据我们的试验数据和结论进行焊接和热处理的工艺指导，应用状况良好。车间反应该材料焊接时的性能好，焊口合格率高，热处理后硬度值完全符合电建规的要求。
6. 结论
1. SA-213T23钢管具有较好的焊接性，焊前可不用预热。
2.用UnionIP23（蒂森）、T-HCM2S(住友)、H10Cr2MnMoWVTiBA（国产）焊丝进行SA-T23管子的对接焊，其接头性能符合锅规和电建规要求，均可在生产中应用，且这几种焊丝在焊接时性能较好。
3. 国产焊丝H10Cr2MnMoWVTiBA进行SA-213T23管子的焊接是可行的。
4. 焊后在一定温度范围内进行热处理可有效降低SA-213T23焊缝及热影响区的硬度值，延长保温时间也可降低焊缝和热影响区的硬度值，但当保温时间达到一定值后，延长保温时间对硬度值的影响不明显。
5. SA-213T23热处理温度可根据具体情况在715℃－770℃范围内选择。
致谢
在实验过程中，东方锅炉（集团）股份有限公司102车间、材料研究所给予了大力的协助和支持，在此表示衷心感谢；在试验方案的设计和试验总结中工艺处教授及高工陶永顺给予了大量的指导，在此表示诚挚的谢意，此外，东方锅炉（集团）股份有限公司工艺处焊接工艺组的同事们都给予了指导和帮助，在此一并致谢。
参 考 文 献
[1] 张文钺。焊接冶金学（基本原理）。北京：机械工业出版社，1999
[2] H.Suzuki.Weldability of Modern Structural Steels in Japan 《Transaction ISIJ》Vol.23,1983
[3] N.Yurioka .Determination of Necessary preheating Temperature in steel Welding. Welding journal.1983,62(6):147-152
[4] 中国机械工程学会焊接学会. 焊接手册. 北京：机械工业出版社，2001
[5] 火力发电厂焊接技术规程 DL/T 869-2004 中国电力出版社 2004
[6] 东方锅炉（集团）股份有限公司.国外大容量高参数锅炉管材用钢资料汇编 2004
[7] 上海发电设备成套设计研究所.锅炉受压元件用钢性能手册.1995
收稿日期：
作者简介：
银润邦（1978-）男（汉族），甘肃省武威市人，大学本科，助理工程师，研究方向：焊接工艺及设备。
