SUPER 304H 及HR3C 选用镍基焊材的焊接工艺及实际操作研究

Si
0.19
0.29 MAX 0.5 0.17 MAX 0.5 0.1 MAX 0.5 0.09
表 4 焊材的化学成分对比表（mass%）
Mn
P
S
Ni
Cr
Co Mo Cu
Ti
Al
Fe
3.29
1.40 MAX 1.0 0.04 MAX 1.0 0.1 2.5~ 3.5 3.18
0.006
0.001 MAX 0.020 0.003 MAX 0.020 0.001 MAX 0.03 0.002
— — 10.0~ 15.0 11.37 10.0~ 15.0 10.3
—
0.020
0.87 0.86 8.0~ 10.0 6.39 8.0~ 10.0 8.6
—
0.01
2.94
2.98 MAX 0.5 0.01 MAX 0.5 ＜0.1 MAX 0.5 0.01
—
— MAX 0.6 0.36 MAX 0.6 0.48 MAX 0.75 —
HAZ（T-304H）奥氏体
HAZ（Thermanit 617）奥氏体
HAZ（Metrode 61-70 TIG）奥氏体
HAZ（BOEHLER NIBAS 70/20-1G）奥氏体
焊缝（T-304H）奥氏体
焊缝（Thermanit 617）奥氏体
焊缝（Metrode 61-70 TIG）奥氏体
焊缝（BOEHLER NIBAS 70/20-1G）
B236 B244 B257
母材 材 焊接方
质
法
SUPER 304H Ws
母材规格(mm)
Φ50.8×8 Φ51×7 Φ50.8×6
表 5 焊接工艺对照表
焊接材料
焊接位 置
坡口形式
T-304H
6G
V
Thermanit 617
6G
V
Metrode 61-70 TIG
6G
V
对口间隙 （mm）
4~5 4~5 4~5
NIBAS 70/20-1G
T-HR3C
Thermanit 617
Metrode 61-70 TIG BOEHLER
NIBAS 70/20-1G
抗拉强 度 Rm MPa 725 735 619 631 631 641 711
713
725 745 700 717 687 703 675
669
断后伸 长率 A% 39.6 41.6
两种 ERNiCrCoMo-1 焊材，和母材及匹配焊 材相比，均加入了大量的 Co、Mo。因 ERNiCrCoMo-1 属于镍基合金焊材，所以与母材及匹配焊材相 比，Ni 的含量占总含量的一半以上，其他元素基 本上和母材相当。
BOEHLER NIBAS 70/20-1G 焊材的化学成分与 AWS A5.14 标准值相比加入了少量的 Co 和 Mo， 未加入 Ti 元素。
焊接电流范围 （A）
80~110 80~110 80~110
电压范围（V）
焊接速度范围 （mm/min）
8~12
50~80
8~12 8~12
50~100 50~100
B267
Φ50.8×6 BOEHLER NIBAS 70/20-1G 6G
V
百度文库
4~5
80~110
8~12
50~100
B234
Φ50.8×8
超（超）临界锅炉用钢及焊接技术协作网第二次论坛大会论文集
SUPER 304H 及 HR3C 选用 镍基焊材的焊接工艺及实际操作研究
史文渊 张兆弟 冯建辉 严正 刘文虎
(天津电力建设公司,天津市 300041) 摘 要：本文主要就 SUPER 304H 及 HR3C 采用多种镍基焊接材料进行焊接工艺试验，分别从工艺及操作方面进行 对比研究，从而确定镍基焊接材料焊接 SUPER 304H 及 HR3C 的可行性，并结合现场焊接过程中出现的缺陷及解决 措施的分析及研究。 关键词：SUPER 304H； HR3C； 镍基焊接材料； 工艺及操作
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超（超）临界锅炉用钢及焊接技术协作网第二次论坛大会论文集
分和母材的化学成分大部分元素基本相似，只有 部分元素不同，如 HR3C 母材中不含 Cu，但焊材 中含有 2.98%的 Cu，还有两种焊材中均加入了 Mo （T-304H 含有 0.87%、T-HR3C 含有 0.86%）；
— — 0.80~ 1.50 0.766 0.80~ 1.50 1.02
—
—
—
— MAX 3.0 0.33 MAX 3.0 0.3 MAX 3.0 0.10
Nb+ Ta 0.67 0.44
—
—
—
— 2.0~ 3.0 2.62
O
N
0.004 0.21 0.002 0.29
——
——
——
——
——
——
评定编 号
1 引言
SUPER 304H及HR3C两种钢材匹配的焊接材料 国外已研发并应用，国内也有应用，但国内尚未 见国产化或进行相关研究的报道。因此，有必要 寻找性价比好并可以替代的焊接材料，镍基焊接 材料在新型奥氏体不锈钢，特别是在奥氏体与铁 素体异种钢的焊接中得到研究、认可和应用[1]。
这里主要针对本公司在对两种钢材进行的 多项焊接工艺评定过程中收集到的数据、资料、 实验结果等进行分析、对比，并结合现场焊接中 发现的问题研究其解决措施。
Φ2.4
SUPER 304H、HR3C
4
Metrode 61-70 TIG (ERNiCrCoMo-1)
Φ2.4
SUPER 304H、HR3C
5
ERNiCr-3 (BOEHLER NIBAS 70/20-1G)
Φ2.4
SUPER 304H、HR3C
4 焊材化学成分对比分析
五种焊材的化学成分对比见表 4。 从表 1 和表 4 可以看出，匹配焊材的化学成
不同点： (1) Thermanit 617焊丝在熔滴过渡过程中 和Metrode 61-70 TIG相比，过渡比较困难，包
裹的薄膜厚，熔池结晶过程中浮出的金属氧化物 杂质比较多，打磨量也比较大；
(2) Thermanit 617焊丝容易出现未熔合， 主要集中在焊道夹角处及打底层最后收头处，特 别是在打底层最后收头处，呈“肚脐状”未熔合， 另外这种焊丝的熔化和流淌性稍差一些，在送丝 过程中，焊丝添加量稍多，便会形成背面焊道上 的“褶皱样”未熔合；
T-HR3C
6G
V
B243
Φ48×6
Thermanit 617
6G
V
B258
HR3C
Ws
Φ48×6
Metrode 61-70 TIG
6G
V
4~5
85~100
4~5
80~110
4~5
80~110
10~14 8~12 8~12
70~90 50~90 50~90
B266
Φ48×6
BOEHLER NIBAS 70/20-1G 6G
2 钢材化学成分及性能
HR3C 耐热钢（25Cr-20Ni-Nb-N）中的溶解氮 及 NbCrN 氮化物的充分沉淀大大提高了 600℃～ 750℃温度下的蠕变断裂强度，同条件下，其蠕 变断裂强度要比 TP347、TP310 系列耐热钢高。 另外，由于高的 Cr 含量，其抗高温腐蚀和抗蒸 汽氧化的能力强于 18-8 系列不锈钢，同 310 系 列不锈钢相当。
0.004
0.001 MAX 0.015 0.001 MAX 0.015 0.001 MAX 0.015 0.002
16.04
19.72 MIN 50.0 57.80 MIN 50.0 58.4 MIN 67.0 73.14
18.70
27.05 20.0~ 24.0 20.18 20.0~ 24.0 20.5 18.0~ 22.0 20.37
6 试验结果
6.1 拉伸试验结果
表6 为五种焊丝焊制的SUPER 304H、HR3C
管接头试件，按照GB/T2651-1989《焊接接头拉
伸试验方法》所得拉伸试验结果。
表 6 几种焊丝的接头强度对比
母材 材质
SUPER 304H
HR3C
试验焊材
T-304H
Thermanit 617
Metrode 61-70 TIG BOEHLER
V
4~5
80~110
8~12
50~100
注 1：表中电流参数为评定报告中参数，在实际焊接中，蒂森焊材（Metrode 61-70 TIG）比其他三种焊材应稍大一些，尽量偏向于电流参数要求范围的上限。
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6.2 金相试验 6.2.1 SUPER 304H 四种焊材金相比较 （见图1）
35 36 35 38 39
43
40 41 30 31 30 33 36
44
断口 位置
母材
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(3) Thermanit 617焊丝焊接过程中电流要 比焊接普通不锈钢的电流要大，操作难度比较 大；
(4) Metrode 61-70 TIG焊丝焊接过程中比 Thermanit 617相对较好，虽有氧化现象，但对 正常操作过程影响不大，熔池较清晰、易观察；
(5) BOEHLER NIBAS 70/20-1G焊丝焊接操作 性略优于其他两种焊丝，焊接过程中薄膜析出较 少，但随着温度的升高，其薄膜的析出程度会加 剧。
SUPER304H(ASME CODE CASE2328-1 0.1C-18Cr-9Ni-3Cu-Nb-N)的强度比 ASME SA-213 Grade TP347H 高２０％，富 Cu 相在使用过程中 在奥氏体基体上的沉淀使其具有较好的高温蠕 变性能，耐腐蚀性和细晶 TP347H 相当，SUPER304H 已经写入了日本的 MITI 标准，并广泛应用于电 站锅炉的过热器管。其化学成分和力学性能分别 见表 1 和表 2[2]。
` SUPER 304H
HR3C
成分 min max min max
C 0.07 0.13 0.04 0.10
Mn -1.00 -2.00
Si -0.30 -0.75
表 1 化学成分（mass%）
Cr Cu N Ni Al 17.0 2.5 0.05 7.50 0.003 19.0 3.5 0.12 10.5 0.030 24.0 -- 0.15 17.0 -26.0 -- 0.35 23.0 --
30
256
3 焊材选用
两种材质共选用 5 种牌号的焊材，其中 SUPER 304H 和 HR3C 各 4 种牌号的焊材，焊材的类别及 生产厂家见表 3。
表 3 焊接材料型/牌号
序 号
型号（牌号）
规格 用于钢材
（mm）
材质
1
T-304H
Φ2.4 SUPER 304H
2
T-HR3C
Φ2.4
HR3C
3
Thermanit 617(ERNiCrCoMo-1)
元素 焊材
T-304H 材质单
T-HR3C 材质单
Thermanit 标准
617
材质单
Metrode 61-70 TIG
BOEHLER NIBAS 70/20-1G
标准 材质单 标准 材质单
C
0.10
0.05 0.05~ 0.15 0.058 0.05~ 0.15 0.05
MAX 0.10 0.003
有关化学成分的加入考虑了以下因素[3]： Ni：Ni 属于奥氏体稳定元素，能降低奥氏体 化温度，对焊缝的回火温度有较大影响，并提高 钢的韧性； Co：适量的加入 Co 可有效替代 Ni 的作用而 使焊缝金属获得稳定的室温冲击韧性，并可提高 其蠕变强度； Mo：Mo 的加入，有利于形成碳化物，使焊缝 具有高温稳定性，并提高焊缝的高温强度； Cu：Cu 属于微量元素，在匹配焊材中加入量 较多，但在其他几种焊材中加入量较少，其主要 作用为在奥氏体钢中形成强化项，提高抗腐蚀性 能，但易形成红脆性，应控制其含量。
B 0.001 0.010
---
Nb 0.30 0.60 0.20 0.40
S -0.010 -0.030
P -0.040 -0.030
表 2 力学性能（min）
标准
抗拉强度 Rm MPa
屈服强度 Re MPa
断后伸长 率Z ％
硬 度 HB
SUPER 304H
590
235
35
219
HR3C
655
295
5 焊接工艺
5.1 焊接工艺参数 各项目焊接工艺参数对照见表 5。
5.2 焊接操作过程对比 两种钢材匹配的焊接材料国外已研发并应
用，国内也有应用，在这里不做讨论，主要对比 几种镍基焊材的可操作性。
相同点：三种焊材焊接过程中均在熔滴过渡 时，熔滴上附着一层薄膜，使熔滴过渡比较困难， 金属薄膜产生的细小颗粒，粘着在焊道的表面， 难于清理，直接影响到焊道与焊道之间的熔合， 只能采用机械方法将其打磨掉。