新型铁素体耐热钢CB2的焊接及热处理工艺研究吴富强

新型铁素体耐热钢CB2的焊接及热处理工艺研究吴富强

吴富强

（山东电力建设第一工程公司山东济南250102）

摘要：随着我国经济的快速发展，提高火电机组的热效率是一项重要和紧迫的任务。而火电机组效率的提高主要在于提高蒸汽的压力和温度。这就对火电机组的相关设备用钢特别是高温承压部件用钢的高温性能提出了更高的要求，目前我国自主研发新型耐热钢ZG12Cr9Mo1Co1NiVNbNB（CB2）以良好性能逐渐应用于火力发电厂热力系统设备的耐热钢材。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。

关键词：新型耐热钢；CB2钢；热处理工艺；

1引言

CB2钢是欧洲COST536项目研发的新型铁素体耐热钢，可用于600℃/620℃30MPa的第二代超超临界机组汽轮机高温部件及管道，目前已实现国产化，但尚处于初步应用阶段。据查，国内焊接及热处理工艺方面的研究文献极少，为突破国外厂商的技术壁垒，充分发挥其性能并推广应用，迫切需要掌握该钢种现场焊接和热处理施工工艺。

2研究内容

2.1CB2钢焊接性分析

CB2钢材料是经过淬火+回火处理的供货状态，其组织为回火马氏体。CB2钢是在P91钢基础上加入适量的Co，同时加入少量的Nb和B，适当增加Mo的含量得到的。

①焊接热裂纹敏感性

由于CB2钢合金程度高，其硼、硫含量低，锰含量高，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溶点共晶物少，又由于其自身线膨胀系数小，因此，CB2钢的热裂纹敏感性不大。

②焊接冷裂纹敏感性

由于CB2钢合金元素含量高，碳当量高，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。在焊接过程中，淬硬将会形成较多的的晶格缺陷（空位、位错），同时在热力不均及应力作用下易形成裂纹源，且该裂纹源在后续工作条件下产生裂纹的所需要吸收的能量低，故CB2钢产生冷裂纹倾向大。

③化学成分Co对焊接接头的影响

CB2钢是在P91钢基础上加入适量的Co，可抑制铁素体的析出、降低硫含量，同时可发生固溶强化，提高钢的回火稳定性。其缺点是易发生过时效倾向而使钢变脆。合适的焊后热处理工艺可以获得相对细小弥散分布的析出相，进一步提高CB2钢的力学性能。

2.2CB2钢焊接材料选择分析

①CB2钢化学成分及性能分析

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。CB2钢化学成分：C0.13Cr9.11Ni0.14Co1.27Mo1.59V0.054Nb0.21B0.01N0.015

CB2钢室温下力学性能：抗拉强度≥690MPa，屈服强度≥490MPa，伸长率≥15%，断面收缩率≥35％，冲击功≥27J，布氏硬度210-260HB。

②CB2钢焊材的选用

通过对CB2钢材的成份化学元素的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钢材质成分要求及性能的要求。

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，焊丝MTS616化学成分：C0.1Cr8.8Ni0.6Si0.38Mo0.4V0.2Nb0.06Mn0.45N0.04W1.6。

焊丝MTS616室温下力学性能：抗拉强度≥720MPa，屈服强度≥560MPa，伸长率≥15%，冲击功≥41J。

焊条MTS5Co适用于焊接改进型9%Cr-Co-Mo耐热钢。焊条MTS5Co1化学成分C0.12Cr9.52

Ni0.8Si0.16Mo1.4V0.24Nb0.04Mn0.52N0.04Co1.08。

焊条MTS5Co1室温下力学性能：抗拉强度≥720MPa，屈服强度≥560MPa，伸长率≥15%，冲击功≥27J。

3CB2钢焊接工艺试验

工艺初步制定：打底焊接采用GTAW，选用焊丝MTS616/Φ2.4，焊接电流控制在80A～140A；填充焊接采用SMAW分层分道焊接，选用焊条MTS5Co1/Φ3.2，焊接电流控制在80A～120A，焊接过程中严格控制层间温度在200℃～300℃。焊后进行两次热处理，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，规格为φ273mm×40mm，坡口形式为U型，采用GTAW+SMAW焊接方法，采用相同的焊接工艺焊接3组试件。第一组：不进行焊后热处理，第二组：恒温温度730～750℃，保温时间5h，加热宽度≥320mm，保温宽度≥620mm，升温速度≤80℃/h，降温速度≤60℃/h，焊接完毕后进行80-100℃，保温时间为1-2h的低温保护。第三组：热处理工艺参数设置同第二组，完成一次热处理后，再按以上焊后热处理工艺进行二次焊后热处理。

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。下一步进行相关的工艺试验。

三组试样拉伸强度：S1L717.5MPa，S2L740MPa，S3L729.75MPa。由试验可得未经焊后热处理的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。

三组试样焊缝与热影响区冲击功：S1焊缝35.4J、热影响区33.8J，S2焊缝47.6J、热影响区55J，S3焊缝58J、热影响区68.4J。由以上结果可以看出，未经焊后热处理的焊缝冲击韧性最小，随着回火次数的增加，CB2钢焊缝及热影响区韧性明显增加。

热处理对焊缝组织的影响（300╳）

将三组金相试样进行对比发现，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都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。

通过试验对比：未进行热处理的CB2钢焊接接头力学性能较差，抗拉强度较小，冲击吸收能量较小，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，冲击吸收能量明显增加，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

通过对新型铁素体耐热钢CB2的焊接性分析及焊接工艺试验，分别对不同的焊后热处理条件下的试验结果进行对比，选择了合理的焊接工艺及二次回火焊后热处理工艺。

参考文献：

[1]崔忠圻覃耀春金属学与热处理[M]北京：机械工业出版社2010.

[2]DLT819-2010火力发电厂焊接热处理技术规程[S].

[3]杨富章应霖任永宁等新型耐热钢焊接[M]北京：中国电力出版社2006.