12Cr2Mo1和S30408异种钢焊接工艺
摘要：异种钢由于在物理和化学性能方面差异较大，存在着焊缝的稀释、碳迁移和焊接应力的问题，本文针对12Cr2Mo1和S30408异种钢焊接工艺进行研究，在12Cr2Mo1侧先堆焊镍基焊材，然后采用熔合比小的氩弧焊打底，焊条电弧焊盖面，选用镍基焊丝SNi6082和焊条ENi6182，采用合理的坡口形式和焊接工艺参数，控制层间温度，焊后进行消除应力热处理，并进行了外观检查、无损检测、力学性能试验，焊接接头满足标准规定。
关键词 ：12Cr2Mo1；S30408；异种钢焊接接头，焊接工艺评定
近年来异种钢焊接应用十分广泛，在航空航天、石油化工、机械行业等行业应用越来越多[1]。但由于异种钢在化学成分、冶金相容性、物理性能和化学性能等方面存在较大差异，在焊接过程中会出现合金元素的迁移、化学成分、金相组织的不均匀，还会产生热应力、焊接变形，出现焊接裂纹等，降低焊接接头的力学性能[2]。
本文针对12Cr2Mo1铬钼钢和S30408不锈钢的异种钢焊接接头，进行焊接性分析，选择合适的焊接方法、焊接材料和焊接工艺参数，并进行焊后热处理，根据NB/T47014《承压设备焊接工艺评定》进行焊接工艺评定，分析异种钢焊接接头的力学性能，制定焊接作业指导书，用于指导实际生产。
12Cr2Mo1为低合金耐热钢，具有良好的耐高温和抗氢性能，主要用于制造加氢装置的反应器和热交换器等设备中，12Cr2Mo1的铬和钼能显著提高钢的淬硬性，在一定的冷却速度下，焊缝金属和热影响区内可能形成对冷裂敏感的显微组织。
含有大量的Cr、Mo等强碳化物形成元素，使接头的过热区具有不同程度的再热裂纹敏感性。在350-550℃温度区间长期运行时，当有害残余金属总含量超过容许极限时，发生的渐进的脆变现象。
S30408为奥氏体不锈钢，两种钢材之间化学成分、金相组织、物理性能和化学性能等方面有较大差异，焊接时容易出现以下问题。
在焊接过程中，焊缝金属会受到12Cr2Mo1熔敷金属的稀释作用，在紧靠12Cr2Mo1一侧熔合区的焊缝金属中，形成和焊缝金属成分不同的过渡层，母材合金含量越大，稀释率越大，熔合比越大，稀释率也越大。12Cr2Mo1一侧过渡层可能会因稀释而产生脆性马氏体组织。.
高温下，由于铬元素与碳原子的亲和能力很强，易形成碳化铬的化合物，在焊接过程中，12Cr2Mo1一侧因贫铬而使碳原子脱离形成脱碳区，进而软化，晶粒粗大，脆性增大，抗腐蚀能力下降，而S30408一侧因富含铬而使碳原子向其迁移形成增碳层，进而硬化，晶粒变细，性能变好。
由于两种材料的热导率和线膨胀系数不同，焊接过程中，高温区产生热应力，并且该热应力无法消除，使焊缝和熔合区附近产生附加拉应力，在冷却过程中，因收缩不一致产生焊接残余应力，导致在12Cr2Mo1侧产生裂纹。
评定用材料为12Cr2Mo1和S30408不锈钢，规格均为400mm×150mm×10mm，两种材料的化学成分和如表1所示
为了减少焊缝的稀释，防止产生冷裂纹和再热裂纹，12Cr2Mo1和S30408异种钢焊接时，在12Cr2Mo1侧先堆焊镍基焊材，选用熔合比小、稀释率低的焊接方法，钨极氩弧焊和焊条电弧焊的熔合比较小，焊缝成分也比较稳定，因此，该异种钢选用氩弧焊打底，焊条电弧焊盖面的焊接方法。
采用镍基焊条ENi6182和镍基焊丝SNi6082，利用镍的石墨化作用阻碍形成碳化物，减小过渡层，防止产生脆性的马氏体组织，进一步抑制12Cr2Mo1中的碳迁移。
对于焊接坡口形式，应尽量考虑焊接层数、填充金属量、熔合比和焊接残余应力，设计的坡口形式及尺寸如图1所示。
12Cr2Mo1显微组织为回火贝氏体，S30408显微组织为奥氏体，12Cr2Mo1具有淬硬性、再热裂纹倾向和回火脆性，而 S30408具有良好的焊接性，根据两种材料的化学成分、接头形式、焊接方法和焊接材料等考虑，通过焊接性试验确定，预热温度在200℃左右，焊接的道间温度控制在100℃之内，焊后立即进行350℃×2h后热处理。
焊前，对坡口及两侧各200mm之内的氧化层、油污、水分、铁锈等进行清理，具体的焊接工艺参数如表2所示。
焊后消除应力热处理是防止焊接裂纹的重要工艺措施，12Cr2Mo1和S30408异种钢焊接时，会产生很大的焊接残余应力，因此，焊后需要进行690±10℃×2h的热处理，以消除焊接残余应力，避免裂纹的产生。
焊接工艺评定采用NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》标准进行，对评定试板进行外观检查，表面没有气孔、夹渣、裂纹等缺陷，然后进行100%射线检测，射线检测按照NB/T47013-2013《承压设备无损检测》评定，Ⅱ级合格。按照NB/T47014-2011标准要求加工试样，进行拉伸、弯曲和冲击等力学性能试验，力学性能试验结果如表3、表4、表5所示。
由上述数据可知，拉伸、弯曲和冲击试验都合格，说明所制定的焊接工艺满足要求，焊接接头的性能符合规定。
（1）采用熔合比小、稀释率低的氩弧焊打底，焊条电弧焊盖面的焊接方法，在12Cr2Mo1侧先用焊条电弧焊堆焊镍基焊材选用镍基焊丝SNi6082和镍基焊条ENi6182对12Cr2Mo1和S30408异种钢进行焊接，通过合理的焊接工艺，获得了性能符合标准规定的焊接接头。
（2）按照NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》，对焊接接头进行了力学性能试验，拉伸试样断在焊缝上，为韧性断裂，抗拉强度满足标准要求，弯曲试样和冲击式样满足标准要求。
本文素材来源于「CPEC承压设备专委」，“压力容器人”根编辑整理发布，转载请注明出处。