TP304H_12Cr1MoV异种钢管的瞬时液相扩散连接

第27卷　第2期2006年2月

焊接学报

TRANS ACTI O NS OF THE CH I N A W ELD I N G I N STI T UTI O N

Vol .27 No .2

February 2006

TP304H /12C r1MoV 异种钢管的瞬时液相扩散连接

井晓天1

,　陈思杰

1,2

,　卢俊峰1,　李辛庚

3

(1.西安理工大学材料科学与工程学院,西安　710048;2.河南理工大学材料科学与工程

学院,河南焦作　454000;3.山东电力研究院,济南　250002)

摘　要:用Fe N i CrSi B (A )合金作中间层,氩气保护,对12Cr1MoV 珠光体耐热钢和

TP304H 奥氏体不锈钢管进行了瞬时液相扩散连接。用正交试验的方法研究了工艺参

数对接头组织和性能的影响,分析了T LP 连接接头的显微组织、断口形貌、力学性能和元素分布,确定出了合适的连接工艺参数。研究结果表明,连接温度1240℃,等温凝固时间3m in,压力4MPa 时,接头的强度最高达到590MPa,其断口呈韧性断裂特征。关键词:TP304H /12Cr1MoV;异种钢管;瞬时液相连接;显微组织

中图分类号:TG151.1 文献标识码:A 文章编号:0253-360X (2006)02-97-05

井晓天

0　序 言

火力发电机组随着各个部位工作温度的不同,

相应地使用了不同化学成分和组织结构的钢材,因此必然会遇到异种钢的焊接问题。其中许多部件及管道采用了12Cr1MoV 耐热钢与TP304H 不锈钢的异种钢接头。12Cr1MoV 钢热强性和持久塑性较高,由于碳及合金元素含量较多,淬硬敏感性较大,在焊件刚性及接头应力较大时,易产生冷裂纹。TP304H 是经固溶处理后供货的,其组织为单相奥氏体,具有高的抗蚀性、抗蠕变性和综合力学性能;但在450～850℃温度区间长时间停留,易发生晶间腐蚀。12Cr1Mo V 与TP304H 焊接时,因接头化学成分的不均匀导致组织的不均匀,从而最终影响到接头的持久强度。同时,在熔焊过程中,焊缝容易出现硬脆的马氏体组织,珠光体侧冷裂纹倾向较大。另外,由于两种钢的线膨胀系数相差很大,焊接时会产生较大的残余应力,在循环温度下工作时,容易产生

疲劳裂纹[1]

。瞬时液相扩散连接(简称T LP )是一

种先进的连接技术[2]

,主要是针对沉淀硬化合金开发的。液相扩散焊接头强度高、没有明显的界面和焊接物残留。其特点是焊接温度低,母材不熔化,可焊接异种材料,变形小,强度接近母材,高温性能好,

设备投资及焊接成本远低于高能束焊(激光焊、电子束焊)。目前,液相扩散连接已不仅局限于原先的镍基超耐热合金焊接领域,特别是在新材料(如先进陶瓷,复合材料,氧化物弥散强化耐热合金)的

制备、连接、修复等方面潜力很大[3～6]

。根据异种钢连接的实际需要,作者研究了12Cr1MoV 与TP304H 的T LP 扩散连接工艺。

1　试验材料和方法

T LP 焊接试验在瞬时液相扩散焊机上进行,采

用高频感应加热,氩气保护,压力设定为4～15MPa 。力学性能试验机采用W ES -600W 万能试验机,拉伸试验按国家标准G B 2651-89《焊接接头拉伸试验方法》进行,弯曲试验按国家标准G B 2653-89《焊接接头弯曲及压扁试验方法》进行。接头合格的标准为拉伸试验在母材断裂,面弯和背弯的弯曲角180°。并对试样及断口用光学显微镜OM 、扫描电镜SE M 和电子能谱EPS 进行金相、形貌及微区成分分析。试验材料为12Cr1MoV 和TP304H 钢管,试样连接端面精车。钢管的化学成分及试验中间层成分见表1,钢管规格和力学性能见表2。正交试验采用3因素3水平(见表3)。

表1　12C r1MoV 、TP304H 钢管和非晶中间层的化学成分(质量分数,%)

Tab l e1　C hem i ca l com po s iti o n s o f 12C r1MoV /TP304H s tee l a nd i n se rti ng m e ta l

钢种

C Si Mn P S N i Cr Mo V B

Fe

12Cr1MoV 0.120.200.550.0350.0350.10 1.100.30

0.23

—其余TP304H

0.11

0.29 1.12

0.023

0.022

9.9818.73———

其余FeN i CrSi B (A )

—6～11

———

28～32

1-5

——

6-10其余

收稿日期:2004-11-27

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　焊　接　学　报第27卷

表2　12C r1MoV和TP304H钢管的规格、常温力学性能

Tab l e2　D i m en si o n a nd m echa n i ca l p r op e rti e s o f12C r1MoV/TP304H s te e l 牌号公称外径d/mm壁厚s/mm抗拉强度R m/MPa屈服强度R p0.2/MPa伸长率A(%) 12Cr1MoV63.55470～640>255>19

TP304H63.55515>205>35

表3　12C r1MoV和TP304H钢管正交试验参数和试验结果

Tab l e3　Exp e ri m en ta l p a ram e te rs and re su lt o f12C r1MoV/TP304H s te e l

序号A温度

T/℃

B时间

t/m in

C压力

p/MPa

抗拉强度

R m/MPa

(平均值)

弯曲性能

面弯背弯

123123

1120023460××××××2120034480××××××3120045490×○××××4122024500×○××××5122035530×○○×○×6122043510×○○×○×7124025580○○○×○○8124033570×○○○○○9124044590○○○○○○

方差分析表

因素偏差平方和自由度F比F临界值显著性

A16466.6672 2.817 5.140显著

B466.66720.080 5.140不显著

C600.00020.103 5.140不显著

误差17533.3336

注:表中○表示合格,×表示不合格1～0点,2～4点,3～8点

2　试验结果与分析

前期试验主要是中间层的优化,确定出了合适

的非晶中间层的成分,配制的Fe N i CrSi B(A)中间层

厚度为30～40μm。连接温度、时间和压力是连接

成功的关键参数,选取其作为正交试验的试验因素。

根据正交试验原理和焊接工艺要求,进行工艺连接

试验。

2.1　正交试验结果分析

正交试验共连接了9个试样。连接后取样进行

力学性能试验。拉伸和弯曲试样取样位置见图1,

分别取0点、4点、和8点等3个位置,每一个位置分别取1个拉伸试样、1个冲击试样和2个弯曲试样(面弯和背弯),进行力学性能试验。正交试验结果和方差分析列于表3,工艺参数对接头强度的影响见图2。

从表3和图2可以看出,正交试验参数中焊接

图1　钢管拉伸(L)弯曲(W)试样取样位置

F i g.1　D i ag ram o f s te e l p i p e s sam p li ng u sed

i n ten s il e and w e l d te s t

温度对接头强度的影响显著,随着温度的升高,接头强度不断的增加,并且在高温阶段这种趋势尤为明