新型奧氏體耐熱鋼與馬氏體耐熱鋼焊接工藝探究

李青鋒，張 艷

(上海電力安裝第一工程公司，上海 200090)

某電廠2×1 050 MW超超臨界燃煤機組的三級過熱器出口連接管(材質SA213-TP310HCbN)與集箱管(材質為SA213-T92)異種鋼焊接接頭，在運行后出現早期失效的現象。通過對新型奧氏體耐熱鋼與馬氏體耐熱鋼焊接工藝探究，經實際應用焊接接頭力學性能達到標準要求。

1 材料分析

1.1 高鉻鎳奧氏體不銹鋼

高鉻鎳奧氏體不銹鋼SA213-TP310HCbN(HR3C)的化學成分和力學性能見表1和表2。

表1 HR3C鋼的化學成分 Wt%

表3 T92鋼的化學成分 Wt%

表2 HR3C鋼的力學性能

1.2 高合金馬氏體耐熱鋼

SA213T92鋼的化學成分和力學性能見表3和表4 。

表4 T92鋼的力學性能

2 焊接接頭性能分析

2.1 焊接SA213-TP310HCbN(HR3C)鋼的接頭

(1)焊接裂紋。焊接Cr、Ni純奧氏體鋼容易出現焊接高溫裂紋，裂紋與材料中的Ni、C、Si、Nb、S、P等元素的含量有關，它們會明顯提高形成裂紋的敏感性。

(2)接頭抗腐蝕性能。在燃煤電站條件下， Cr-Ni 奧氏體鋼的應力腐蝕發生在含有Cl- 的介質中，而且介質溫度愈高愈容易發生應力腐蝕破裂。

(3)接頭的脆化。HR3C鋼在550～750℃和600～800℃下時效以后脆化傾向明顯，再也容不得發生σ相脆化。焊縫金屬也會有這種時效脆化的傾向，焊接時焊接材料必須選擇正確，以避免σ相脆化的危險。

表5 ERNiCr-3的化學成分 Wt%

2.2 焊接T92鋼的接頭

(1)焊接冷裂紋。由于T92鋼的C、S、P等元素含量低、純凈度高，有一定的焊接冷裂紋傾向。

(2)焊縫韌性。焊縫金屬的沖擊韌性總是低于母材的。

2.3 焊接HR3C/T92異種鋼的接頭問題

異種金屬之間因為成分和組織、性能上的差別很大，所以焊接異種鋼會遇到以下問題。

(1)焊縫金屬的稀釋。當選擇合金元素含量較高的Cr、Ni焊接材料作為填充金屬，由于T92鋼合金元素含量較少，熔化的馬氏體母材對焊縫金屬中合金元素的含量具有稀釋作用，使焊縫中奧氏體形成元素含量減少，結果焊縫金屬中可能會出現馬氏體組織，從而惡化接頭質量，嚴重時可能出現裂紋。

(2)靠近熔合線的焊縫金屬出現過渡層。當選擇合金元素含量較高的Cr、Ni焊接材料作為填充金屬，熔化的馬氏體母材和填充材料成分相差懸殊，越靠近熔合線，馬氏體鋼母材成分所占比例越大，馬氏體的存在可能影響接頭的整體性能，降低焊接接頭的韌性

(3)增碳層和脫碳層的形成。由于熔合線兩側存在懸殊的成分差別，促使碳元素在焊后熱處理或隨后的加熱過程中不斷地從低合金(T92鋼)側向奧氏體不銹鋼焊縫擴散遷移，使靠近熔合線低合金側脫碳，出現脫碳層而軟化，在奧氏體不銹鋼焊縫側增碳，形成增碳層而硬化，降低接頭高溫持久強度和塑性。

(4)焊接應力與焊接變形的產生。成分和組織不同的母材，其物理性能也大不同。奧氏體鋼和焊縫金屬的線膨張系數比馬氏體耐熱鋼大30%左右，溫度變化時母材和焊縫線膨長系數不一致會產生的熱應力，而導熱率只有1/2左右。因此在焊接時，受到迅速冷卻和加熱，必然產生很大的熱應力和變形。

3 實施的焊接工藝參數和技術措施

3.1 工藝試驗用鋼材的規格及焊接材料

SA213-TP310HCbN/SA213-T92 Φ51×8/Φ51×7.5。鎳基焊材ERNiCr-3, Φ2.4。化學成分和力學性能見表5。

3.2 焊接方法

對直徑不大、管壁不厚的小直徑管的焊接，采用了熔池體積小、熱輸入量較小的焊接方法手工鎢極氬弧焊(GTAW)，直流正接。

焊接位置:45固定°(見圖1)

焊道層次:多層多道焊(見圖2)

圖1 對口簡圖 圖2 焊疲乏簡圖

3.3 焊前預熱

一側為奧氏體型鋼時，對非奧氏體型鋼單側進行預熱，且選擇較低的預熱溫度。故在靠近T92側預熱，預熱溫度100～150℃。焊接過程中采用紅外測溫儀或其他測量器具測量層間溫度，層間溫度≤150℃。在整個焊接過程中，當焊縫溫度高于層間溫度時，必須立即停止焊接，待溫度恢復正常時繼續焊接。

3.4 保護氣體

為防止根部焊縫背面產生燒枯和內凹現象，充氬氣進行保護，流量為6～10 l/min。充氣3～5 min后，開始焊接。

3.5 施焊技術

采用較小線能量焊接，即小幅擺動、間斷的焊接方法，焊層厚度控制在焊絲直徑內。

在焊口點固前、每層焊道之間用鋼絲刷、角向磨光機等清理干凈。

氬弧焊打底前應檢查焊口的清潔度，對口間隙為2.5～3.2 mm，點焊固定。然后貼上焊口一半的鋁箔紙，應對根部進行充氬氣。焊縫根部的加絲方法為內加絲焊法，焊工的視線順著焊絲透過焊縫的對口間隙進行觀察，觀察焊口坡口內壁邊緣及焊絲的熔化情況，如有內咬邊、未焊透、生焊絲等缺陷，應及時改變焊槍的角度及加絲的速度；如還有問題，應將缺陷處的焊縫打磨掉，然后繼續施焊。焊口點焊處應打磨掉，以確保內壁焊縫的正常成形。

3.6 焊接參數

采用較小線能量焊接，即小電流低電壓快速焊的焊接參數，見表6。

表6 焊接參數

3.7 熱處理工藝參數

熱處理種類：高溫回火熱處理參數：熱處理參數：焊縫與SA213-TP310HCbN鋼是奧氏體組織，不需熱處理，但T92鋼焊后會產生脆而硬的馬氏體組織，很容易開裂，焊后必須進行熱處理，而奧氏體鋼焊后熱處理應避開脆化溫度敏感區(475℃)、防止晶間腐蝕和σ相脆化，所以調整熱處理參數，即焊后焊接接頭冷卻到80～100℃保溫1～2 h，所以快速升溫到400℃，以≤220℃/h升溫速率升溫到760℃±10℃，保溫1.5 h，再以≤275℃/h降溫速率降至400℃，400℃以下不控降溫速率，用保溫材料包覆緩冷至室溫。焊接熱處理曲線見圖3。

圖3 熱處理曲線圖

4 檢驗結果

兩種不同工藝焊接的試件，焊縫的外表成型均良好，內部無缺陷。但力學性能檢驗有明顯的區別。

(1)試樣試驗后。數據均符合合格指標(見表7)。從兩組對比數據中得出結論，焊后熱處理工藝的采用與否對焊接接頭的強度性能影響不大。

表7 拉伸試驗結果 MPa

(2)彎曲試驗。試樣經橫向面彎和橫向背彎對比試驗后，均未出現開裂的缺陷(見表8)。焊后熱處理工藝的采用與否對焊接接頭的塑性均良好。

表8 彎曲試驗結果

(3)沖擊試驗。試樣試驗后，數據均符合要求，結論合格，見表9。但從兩組對比數據中發現，焊后熱處理對焊縫和HR3C熱影響區的沖擊韌性不大，但經焊后熱處理的T92鋼熱影響區的沖擊韌性明顯優于不做熱處理工藝的，提高了焊接接頭的性能。

表9 沖擊試驗結果

(4)硬度試驗，其結果見表10。從兩組對比數據中發現，經焊后熱處理的焊接接頭(焊縫、兩側影響區)的硬度值均符合要求。而不做焊后熱處理工藝的焊接接頭的焊縫和HR3C熱影響區的硬度值符合要求，但T92鋼熱影響區的硬度數據明顯高于做熱處理工藝的，降低了焊接接頭的性能。

表10 硬度試驗結果

(5)金相檢驗，其結果見圖4。焊接接頭無裂紋、無過燒組織、無淬硬性的馬氏體，結論合格。從金相微觀組織照片發現焊后熱處理工藝的采取與否，對焊縫和HR3C熱影響區側的影響不明顯，但T92熱影響區側經焊后熱處理晶粒明顯細小，從而提高了韌性與塑性。

5 結語

(1)焊接方法選擇應該盡量減小熔合比,盡量減少馬氏體鋼的熔化量，以抑制對奧氏體焊縫金屬的稀釋作用。

(2)焊接奧氏體/馬氏體鋼異種鋼時必須選取合適的填充金屬材料。

(3)焊接奧氏體/馬氏體鋼異種鋼為防止焊接接頭的裂紋和避免過大的接頭應力，需一定的預熱溫度及控制層間溫度。

(4)奧氏體/馬氏體鋼異種鋼焊態接頭若在開始運行以前先經過700℃以上的高溫回火，令碳化物盡早析出并令其顆粒變細，然后再于556℃以上溫度運行，碳化物可能會較晚出現，從而壽命可能會長些。

圖4 金相檢驗結果

(5)此工藝可以廣泛地應用于超超臨界、超臨界機組安裝，塔式鍋爐和π型鍋爐20-10型、5Cr-20Ni型鋼種與9Cr-0.5Mo-1.5W型鋼種或9Cr-1Mo-VNb之間焊口焊接。