新型細晶奧氏體鋼焊接材料代用試驗及應用（上）

上海電力安裝第一工程公司 （200090） 馬佳龍

1. 概述

在超超臨界電站鍋爐中，受熱面管所承受的溫度和壓力比亞臨界、超臨界鍋爐進一步提高。為滿足設計要求，鍋爐的過熱器、再熱器高溫段必須采用抗高溫氧化能力和高溫蠕變能力更強的材料。由日本SUMITOMO METAL INDUSTRIES研制開發的Super304H不銹鋼管在600～700℃時的高溫蠕變斷裂強度明顯高于常規的不銹鋼材料，同時給焊接材料的選擇也帶來了相應的困難。

2. 新型不銹鋼SA213—Super304H的特點分析

（1）SA213—Super304H鋼特點 SA213—Super304H是SA213—TP304H的改進型，是在SA213—TP304H的基礎上加入適量阻止奧氏體晶粒長大的Cu、Nb、N等元素，同時通過添加了3%Cu和0.4% Nb（質量分數），利用了Nb的碳氮化合物NbCrN、Nb（N、C）、M23C6）起到強化作用；又通過添加Cu時效析出金屬間化合物來提高強度，從而達到高溫強度、長期塑性以及抗腐蝕性能的最佳組合。其優越的高溫蠕變強度不是靠貴重的合金元素W、Mo的強化獲得，而是通過廉價的Cu、Nb、N，由富Cu相的Cu、Nb、N（C、N）M23C3質點的彌散強化獲得。

（2）SA213—Super304H鋼性能 化學成分如表1所示，力學性能如表2所示。

表1 SA213—Super304H鋼化學成分（質量分數） （%）

表2 SA213—Super304H鋼力學性能

3. 焊接工藝評定難點及技術措施

（1）焊接難點 SA213—Super304H鋼在供貨狀態下同屬單一的奧氏體組織，無冷裂傾向，因而奧氏體鋼的焊接不需要預熱。但是奧氏體型不銹鋼焊接接頭在焊接熱循環的作用下，從高溫區域冷卻下來時，會有晶間腐蝕的傾向，再加上新鋼種的合金元素種類和含量增加，其中Cr、Ni元素的含量提高，造成焊接熔池粘稠，鐵液流動性差，使焊接性較差。

焊接過程中主要問題有三個方面：一是熱裂紋；二是焊接變形大；三是打底焊時焊縫根部的氧化。

（2）工藝評定實施時主要技術措施與方案 焊接位置：管子45°布置（6G位置）。

焊接方法：采用了熔池體積小、熱輸入量較小的手工鎢極氬弧焊（GTAW），以減少晶粒粗大的傾向。即使管壁厚度為10mm，也采用鎢極氬弧焊。

焊接參數：采用小的熱輸入量，即小焊接電流快速焊，減少熔池過熱。

層間溫度：嚴格控制多層多道焊中的層間溫度≤150℃，減少不銹鋼材料在敏化溫度區域內的停留時間，降低熱裂紋生成。

冷卻方法：采取強制冷卻的方法（水冷等），待溫度滿足要求時繼續焊接。

（3）焊接技術要點 ①為保證焊縫根部良好成形，便于焊工觀察熔池，優先采用內加絲的技術。②采用較小熱輸入量焊接，即焊絲不擺動、間斷操作方法，控制層間溫度。③在焊口點固前、每層焊道之間用鋼絲刷、角磨機等清理干凈。

（4）焊接材料的選擇 選用S、P含量低，且與母材化學成分、力學性能相匹配的焊絲，這里特選擇日鐵住金溶接工業株式會社的焊絲 NITTETSU YT—304H（對應SA213—Super304H相匹配）。考慮施工需要以及日產焊絲的市場供貨的制約，我們選擇了德國Bohler-Thyssen公司THERMANIT 617焊絲替代。

4. 焊接材料及工藝評定試驗

（1）兩種焊絲的化學成分如表3、表4所示。

表3 YT—304H焊絲化學成分（質量分數） （%）

表4 THERMANIT 617焊絲化學成分（質量分數） （%）

（2）工藝評定選用管子規格 NITTETSU YT—304H；管子規格：φ60.32mm×7.9mm。THERMANIT 617；管子規格：φ48.26mm×7.9 mm。

（3）焊接方法 采用手工鎢極氬弧焊GTAW（根部、層間、蓋面）。

（4）接頭形式及焊道要求設計 對接接頭、V形焊口、無襯墊、多層多道焊、6G焊接位置。

（5） 焊接參數如表5、表6所示。

表5 NITTETSU YT—304H焊絲焊接參數

表6 THERMANIT 617焊絲焊接參數

（6）施焊技術 采用單面焊雙面成形；焊絲僅作橫向小幅擺動；連續弧焊；層間可用同質鋼絲刷或角磨機清理。

（7）預熱和層間溫度 預熱溫度可視環境溫度≥10℃即可；層間溫度≤150℃。

（8）拉伸試驗 結果如表7、表8所示。

表7 NITTETSU YT—304H焊絲試驗結果

表8 THERMANIT 617焊絲試驗結果

（9）彎曲試驗 結果均合格，如表9、10所示。

表9 NITTETSU YT—304H焊絲試驗結果