CN113579417A - 耐热钢铸件的缺陷焊接及热处理方法 - Google Patents

耐热钢铸件的缺陷焊接及热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于铸件焊接技术领域，主要涉及耐630℃至650℃高温的9Cr‑3W‑3Co铸钢件材料的铸件的缺陷焊接及热处理方法，在挖除缺陷前增加了预热步骤，这样可降低焊缝中由于气刨表面碳化层积碳导致碳迁移；选择合适的焊接材料及适当的工艺参数，最大限度降低近缝区粗晶化组织引起弱化区的产生，并配合热处理工艺，既有效保证9Cr‑3W‑3Co铸钢件焊补区域具有良好的综合机械性能，又可保证焊接接头质量，可有效降低铸件开裂风险，提高了铸件焊接返修质量，缩短周期。采用本发明提供的焊接及热处理方法可以解决采用现有技术的焊接方法及热处理方法造成的焊缝熔合区开裂、热影响区母材局部软化，冲击韧性差等问题。

Description

耐热钢铸件的缺陷焊接及热处理方法
技术领域
本发明属于铸件焊接技术领域，涉及一种新型耐热钢材料铸件的焊接及热处理方法。
背景技术
目前热电厂广泛使用的马氏体耐热钢材料的使用温度上限为600℃～ 620℃，而650℃是马氏体型耐热钢的极限使用温度，更高温度下只能采用价格昂贵的合金材料或奥氏体钢。因此，650℃马氏体耐热钢的开发既是提高火电站运行参数的重点，也是开发过程中的难点。为了更好、更快地开发650℃马氏体耐热钢，必须要了解国际上在此方面的研究，借鉴已有的研究经验和成果。随着科技的进步，一种可适用于630℃～650℃的G115马氏体耐热钢材料在汽轮机的再热进气锻管等被试制开发，商用牌号有中国研制的G115钢，而与其相配套、结构难度更大型的火力发电设备核心零部件缸体和阀体铸件用同级别材料的目前各国仍处于研发阶段。
本发明涉及的是630-650℃耐热钢材料9Cr-3W-3Co钢，该材料牌号有别于 G115钢，针对两种材料对比，9Cr-3W-3Co钢适用于铸造用钢，而G115主要用于管道用钢。目前相关资料对于适用于630～650℃高温马氏体材料以G115为主，且以结构对接方式进行坡口焊接，焊接方法限于氩弧焊打底焊其他焊接方法填充配合较高的焊后消应力组合工艺方案，而对于9Cr-3W-3Co钢几乎没有。参考相同耐热钢马氏体材料焊补流程，行业内普遍的处理方案是将铸造缺陷焊补后，通过焊后热处理将焊补区进行应力消除，但通过以上方案执行后焊接接头部位仍存在如下问题：焊缝熔合区开裂、热影响区母材局部软化，冲击韧性差等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐热钢铸件的缺陷焊接及热处理方法，主要涉及耐630℃至650℃高温的9Cr-3W-3Co铸钢件材料的铸件，以解决采用现有技术的焊接方法及热处理方法造成的焊缝熔合区开裂、热影响区母材局部软化，冲击韧性差等问题。
一种耐热钢铸件的缺陷焊接及热处理方法，包括以下步骤：
缺陷检测：采用磁粉探伤及超声探伤方式对铸件表面缺陷进行检测，并对超标缺陷才用适当的方法进行标记。
加热缺陷部位：采用加热装置将铸件缺陷部位及缺陷周围的部位加热至 150℃至200℃。由于9Cr-3W-3Co材料中合金元素多，且金属元素含量高，因此缺陷挖除前需先进行预热。
挖除缺陷：采用碳弧气刨方式挖除铸件缺陷，且在铸件缺陷挖除部位周边温度大于150℃的条件下，打磨铸件缺陷挖除部位表面。
加热铸件缺陷挖除部位：加热铸件缺陷挖除部位至300℃至400℃，保温2h 至3h，缓冷至室温。
焊接：由于化学成分和焊接工艺的不同会直接导致焊接接头组织呈现明显的不均匀性，为降低焊接接头组织差异，减小因热影响区晶粒组织长大引起弱化区的塑性和接头强度降低，采用小规格焊材、多层多道填充方式进行焊接；同时由于材料中Cr、B元的存在，过高温预热温度，会使焊缝表面形成氧化膜进而引起更高熔点夹杂物的产生，影响焊接质量，因此在焊接过程中焊接每一道焊缝前，采用非碳基材料打磨焊缝表面，以去除焊缝表面氧化层。
消氢处理；
热处理：以小于50℃/h的升温速度将铸件加热至740℃至760℃，保温时间6h至10h，然后以小于40℃/h的降温速度将铸件降温至小于200℃，出炉空冷，需要注意冷却速度要足够慢，以免引起应力裂纹产生。
进一步地，在焊接步骤前，加热铸件缺陷挖除部位至180℃至220℃，保温时间大于30min。由于9Cr-3W-3Co材料中合金元素多，且含量中W元素和Co元素含量极高，焊接裂纹倾向非常严重，为减少裂纹的产生，焊前需要较高的预热温度。
进一步地，在焊接步骤中，焊材选用E9015-G材料，成分质量百分比为：C：≤0.09％、Si：≤0.6％、Mn：≤0.6％、P：≤0.01％、S：＜0.01％、Cr：8.5～9.5％、 W：2.5～3.2％、Co：2.5～3.2％、V：＜0.18％、Cu：＜0.01％、N：≤0.06％、Nb：≤0.03％、B：≤0.08％，Ni：≤0.8％，其余为Fe及不可避免杂质。由于现有技术中对9Cr-3W-3Co材料的焊接仍处于科研阶段，而高温管道用G115材料中含有接近1％的Cu元素，该元素在焊接过程中易产生热脆现象，特别是当Cu元素百分比含量超过0.5％后塑性降低明显，且Cu元素熔点低、热膨胀系数大，相反 Co元素和W元素的熔点高，膨胀系数小，因此为便于生产过程中焊补返修，铸造行业对铸件的材料更倾向将Cu元素更换为更具有耐高温的Nb元素，其具有细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，可改善焊接性能作用，同时增加Ni元素含量，以提高材料塑韧性，达到提高强度的目的。鉴于以上原因，铸造材料9Cr-3W-3Co焊补返修用焊接材料，经组织相关焊接材料供应商改进，最终选用E9015-G(9Cr-3W-3Co)焊接材料进行工艺实验验证， E9015-G(9Cr-3W-3Co)焊材成分以质量百分比计，具体化学成分实测值如下：具体化学成分实测值如下：C：≤0.09％、Si：≤0.6％、Mn：≤0.6％、P：≤0.01％、 S：＜0.01％、Cr：8.5～9.5％、W：2.5～3.2％、Co：2.5～3.2％、V：＜0.18％、 Cu：＜0.01％、N：≤0.06％、Nb：≤0.03％、B：≤0.08％，Ni：≤0.8％，其余为Fe及不可避免杂质。采用以上焊材并进行对应焊接、热处理组合工艺试验后性能满足标准要求。
进一步地，在消氢处理步骤中，将焊缝周边500mm范围采用保温棉遮盖，加热焊缝周边至350℃至400℃，保温2h至3h，这样可以使氢充分逸出。
进一步地，在消氢处理步骤后，将铸件缓慢降温至80℃至120℃，保温2h 至3h。这样可以使马氏体组织完全转变，之后再进行高温焊后消应力热处理，达到获得回火马氏体的目的。
进一步地，在焊接步骤中，填充焊接完成后，再进行两层盖面焊接，第二层盖面焊接范围小于第一层盖面焊接范围，并且控制在距离第一层盖面边界3mm 范围内，同时焊接热输入量较第一层大8％～20％，直至焊接完成。填充焊接完成后为降低焊缝盖面层表面淬硬组织产生几率，应进行两层盖面焊接，利用焊接产生的高温使后一层为前一层进行回火进而保证组织转变、降低应力。
进一步地，在加热缺陷挖除部位步骤后，采用合金旋转锉打磨铸件缺陷挖除部位表面去除氧化层。这样为了降低焊接金属表面氧化层又防止打磨过程由于不合适的工具在高温时产生增碳，进而导致淬硬倾向激增现象的产生。
进一步地，在焊接过程中，采用直径φ3.2焊条进行打底焊接，采用φ4.0 焊条进行填充盖面焊接；焊接过程控制参数为：采用直径φ3.2焊条进行焊接，电流控制在80A至120A，电弧电压控制在15V至20V，焊接热输入控制在5KJ/cm；采用直径φ4.0焊条进行焊接，电流控制在130A至160A，电弧电压控制在18V 至22V，焊接热输入控制在不超过12KJ/cm；同时，焊道厚度小于等于3mm，且层间温度小于等于260℃。这样即可满足焊接质量，也可满足降低热输入，降低焊接冷却速度，减少淬硬组织的产生达到抗开裂风险。
本发明主要涉及一种耐630-650℃高温的9Cr-3W-3Co铸钢件材料的缺陷焊接及热处理方法，以质量百分比计，与G115马氏体耐热钢材料化学成分相比较， Cu元素含量较低，为0.02％以下；且含有0.045～0.055％的Nb元素，而G115马氏体耐热钢材料几乎不含Nb元素。选择并改进与母材相近化学成分的焊材原材料进行焊接返修，焊接后进行长时间消应力热处理，确保焊补区的综合力学性能达到与母材相同要求。
本发明提供的耐热钢铸件的缺陷焊接及热处理方法，在挖除缺陷前增加了预热步骤，这样可降低焊缝中由于气刨表面碳化层积碳导致碳迁移；选择合适的焊接材料及适当的工艺参数，最大限度降低近缝区粗晶化组织引起弱化区的产生，并配合热处理工艺，既有效保证9Cr-3W-3Co铸钢件焊补区域具有良好的综合机械性能，又可保证焊接接头质量，可有效降低铸件开裂风险，提高了铸件焊接返修质量，缩短周期。
附图说明
无。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
本实施例提供耐630℃至650℃高温的9Cr-3W-3Co铸钢件材料的铸件的缺陷焊接及热处理方法，包括以下步骤：
S01,缺陷检测：采用磁粉探伤及超声探伤方式对铸件表面缺陷进行检测，并对超标缺陷才用适当的方法进行标记。
S02,加热缺陷部位：采用加热装置将铸件缺陷部位及缺陷周围的部位加热至150℃至200℃。由于9Cr-3W-3Co材料中合金元素多，且金属元素含量高，因此缺陷挖除前需先进行预热。
具体地，在加热缺陷挖除部位步骤后，采用合金旋转锉打磨铸件缺陷挖除部位表面去除氧化层。这样为了降低焊接金属表面氧化层又防止打磨过程由于不合适的工具在高温时产生增碳，进而导致淬硬倾向激增现象的产生。
S03,挖除缺陷：采用碳弧气刨方式挖除铸件缺陷，且在铸件缺陷挖除部位周边温度大于150℃的条件下，打磨铸件缺陷挖除部位表面。
S04,加热缺陷挖除部位：加热铸件缺陷挖除部位至300℃至400℃，保温2h 至3h，缓冷至室温。
S05,焊接：在焊接步骤中，焊材选用E9015-G材料，成分质量百分比为：C：≤0.09％、Si：≤0.6％、Mn：≤0.6％、P：≤0.01％、S：＜0.01％、Cr：8.5～9.5％、 W：2.5～3.2％、Co：2.5～3.2％、V：＜0.18％、Cu：＜0.01％、N：≤0.06％、Nb：≤0.03％、B：≤0.08％，Ni：≤0.8％，其余为Fe及不可避免杂质。焊接时采用小规格焊材、多层多道填充方式进行焊接；在焊接过程中每焊下一道焊缝前，采用非碳基材料打磨焊缝表面。
具体地，在焊接步骤前，加热铸件缺陷挖除部位至180℃至220℃，保温时间大于30min。由于9Cr-3W-3Co材料中合金元素多，且含量中W元素和Co元素含量极高，焊接裂纹倾向非常严重，为减少裂纹的产生，焊前需要较高的预热温度。
具体地，在焊接步骤中，采用直径φ3.2焊条进行打底焊接，采用φ4.0焊条进行填充盖面焊接；焊接过程控制参数为：采用直径φ3.2焊条进行焊接，电流控制在80A至120A，电弧电压控制在15V至20V，焊接热输入控制在5KJ/cm；采用直径φ4.0焊条进行焊接，电流控制在130A至160A，电弧电压控制在18V 至22V，焊接热输入控制在不超过12KJ/cm；同时，焊道厚度小于等于3mm，且层间温度小于等于260℃。这样即可满足焊接质量，也可满足降低热输入，降低焊接冷却速度，减少淬硬组织的产生达到抗开裂风险。填充焊接完成后，再进行两层盖面焊接，第二层盖面焊接范围小于第一层盖面焊接范围，并且控制在距离第一层盖面边界3mm范围内，同时焊接热输入量较第一层大8％～20％，直至焊接完成。填充焊接完成后为降低焊缝盖面层表面淬硬组织产生几率，应进行两层盖面焊接，利用焊接产生的高温使后一层为前一层进行回火进而保证组织转变、降低应力。
需要说明的是，由于现有技术中对9Cr-3W-3Co材料的焊接仍处于科研阶段，而高温管道用G115材料中含有接近1％的Cu元素，该元素在焊接过程中易产生热脆现象，特别是当Cu元素百分比含量超过0.5％后塑性降低明显，且Cu元素熔点低、热膨胀系数大，相反Co元素和W元素的熔点高，膨胀系数小，因此为便于生产过程中焊补返修，铸造行业对铸件的材料更倾向将Cu元素更换为更具有耐高温的Nb元素，其具有细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，可改善焊接性能作用，同时增加Ni元素含量，以提高材料塑韧性，达到提高强度的目的。鉴于以上原因，铸造材料9Cr-3W-3Co焊补返修用焊接材料，经组织相关焊接材料供应商改进，最终选用E9015-G(9Cr-3W-3Co)焊接材料进行工艺实验验证，E9015-G(9Cr-3W-3Co)焊材成分以质量百分比计，具体化学成分实测值如下：具体化学成分实测值如下：C：≤0.09％、Si：≤0.6％、Mn：≤0.6％、 P：≤0.01％、S：＜0.01％、Cr：8.5～9.5％、W：2.5～3.2％、Co：2.5～3.2％、V：＜0.18％、Cu：＜0.01％、N：≤0.06％、Nb：≤0.03％、B：≤0.08％，Ni：≤0.8％，其余为Fe及不可避免杂质。采用以上焊材并进行对应焊接、热处理组合工艺试验后性能满足标准要求。并且，由于化学成分和焊接工艺的不同会直接导致焊接接头组织呈现明显的不均匀性，为降低焊接接头组织差异，减小因热影响区晶粒组织长大引起弱化区的塑性和接头强度降低，采用小规格焊材、多层多道填充方式进行焊接；同时由于材料中Cr、B元的存在，过高温预热温度，会使焊缝表面形成氧化膜进而引起更高熔点夹杂物的产生，影响焊接质量，因此在焊接过程中每焊下一道焊缝前，采用非碳基材料打磨焊缝表面，以去除焊缝表面氧化层。
S06,消氢处理：将焊缝周边500mm范围采用保温棉遮盖，加热焊缝周边至 350℃至400℃，保温2h至3h使氢充分逸出，然后缓慢降温至80℃至120℃，保温2h至3h。这样可以使马氏体组织完全转变，之后再进行高温焊后消应力热处理，达到获得回火马氏体的目的。
需要说明的是，焊后消氢处理的主要作用是加快焊缝及热影响区中氢的逸出，对于防止合金钢焊接时产生焊接裂纹的效果极为显著。常规材料是将焊缝加热至250℃以上保持2-3h后直接升温至焊后消应力热处理温度，而针对类似马氏体组织应将焊缝加热至350～400并保持保温2h至3h后应遮盖保温棉，使焊缝缓慢冷却至材料转变温度以下，确保组织全部转化为焊后马氏体组织后再重新进行焊后消应力热处理，从而得到回火马氏体组织。
S07,热处理：以小于50℃/h的升温速度将铸件加热至740℃至760℃，保温时间6h至10h，然后以小于40℃/h的降温速度将铸件降温至小于200℃，出炉空冷，需要注意冷却速度要足够慢，以免引起应力裂纹产生。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种耐热钢铸件的缺陷焊接及热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
加热缺陷部位：采用加热装置将铸件缺陷部位及缺陷周围的部位加热至150℃至200℃；
挖除缺陷：采用碳弧气刨方式挖除铸件缺陷，且在铸件缺陷挖除部位周边温度大于150℃的条件下，打磨铸件缺陷挖除部位表面；
加热铸件缺陷挖除部位：加热铸件缺陷挖除部位至300℃至400℃，保温2h至3h，缓冷至室温；
焊接：采用小规格焊材、多层多道填充方式进行焊接；在焊接过程中焊接每一道焊缝前，采用非碳基材料打磨焊缝表面；
消氢处理；
焊后消应力热处理：以小于50℃/h的升温速度将铸件加热至740℃至760℃并保温，然后以小于40℃/h的降温速度将铸件降温至小于200℃，出炉空冷。
2.根据权利要求1所述的耐热钢铸件的缺陷焊接及热处理方法，其特征在于，在焊接步骤前，加热铸件缺陷挖除部位至180℃至220℃，保温时间大于30min。
3.根据权利要求1所述的耐热钢铸件的缺陷焊接及热处理方法，其特征在于，在焊接步骤中，焊材选用E9015-G材料，成分质量百分比为：C：≤0.09％、Si：≤0.6％、Mn：≤0.6％、P：≤0.01％、S：＜0.01％、Cr：8.5～9.5％、W：2.5～3.2％、Co：2.5～3.2％、V：＜0.18％、Cu：＜0.01％、N：≤0.06％、Nb：≤0.03％、B：≤0.08％，Ni：≤0.8％，其余为Fe及不可避免杂质。
4.根据权利要求1所述的耐热钢铸件的缺陷焊接及热处理方法，其特征在于，在消氢处理步骤中，加热焊缝周边至350℃至400℃。
5.根据权利要求1所述的耐热钢铸件的缺陷焊接及热处理方法，其特征在于，在消氢处理步骤后，将铸件缓慢降温至80℃至120℃。
6.根据权利要求1所述的耐热钢铸件的缺陷焊接及热处理方法，其特征在于，在焊接步骤中，填充焊接完成后，再进行两层盖面焊接，第二层盖面焊接范围小于第一层盖面焊接范围。
7.根据权利要求1所述的耐热钢铸件的缺陷焊接及热处理方法，其特征在于，在加热缺陷挖除部位步骤后，采用合金旋转锉打磨铸件缺陷挖除部位表面去除氧化层。
8.根据权利要求1所述的耐热钢铸件的缺陷焊接及热处理方法，其特征在于，在焊接过程中，采用直径φ3.2焊条进行打底焊接，采用φ4.0焊条进行填充盖面焊接。
9.根据权利要求8所述的耐热钢铸件的缺陷焊接及热处理方法，其特征在于，焊接过程控制参数为：采用直径φ3.2焊条进行焊接，电流控制在80A至120A，电弧电压控制在15V至20V，焊接热输入控制在5KJ/cm；采用直径φ4.0焊条进行焊接，电流控制在130A至160A，电弧电压控制在18V至22V，焊接热输入控制在不超过12KJ/cm。
10.根据权利要求1所述的耐热钢铸件的缺陷焊接及热处理方法，其特征在于，在焊接过程中，焊道厚度小于等于3mm，且层间温度小于等于260℃。
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