淺談HR3C鋼焊接工藝

董鐵山

中國能源建設集團湖南火電建設有限公司，湖南長沙 410000

在鋼中增加Cr含量可有效改善抗氧化性和抗腐蝕性，但諸如18-8型奧氏體不銹鋼低于310之類鋼的高溫強度，因σ相沉積而產生的韌性問題導致σ相沉積增加了鎳含量，從而加大煉鋼成本。另外，間隙元素氮與碳在鋼中的可溶度碳卻沒氮高，當鋼中Cr含量達到25%時，氮能達到最大溶解度。因此，要改善材料的高溫強度，穩定奧氏體相需增加鋼中氮含量。另外，微細的NbCrN氮化物沉積于基體，可以助于含氮的18-8奧氏體不銹鋼的強化。為此，試驗研究了鈮、鎳和氮對其組織穩定性和高溫強度的影響，針對含25%Cr的奧氏體不銹鋼，開發出用于過熱器的新型奧氏體不銹鋼管—HR3C。

1 HR3C鋼的化學成分和性能

HR3C鋼的化學成分及性能分別如表1、表2、表3所示。

表1 HR3C鋼的化學成分

表2 HR3C鋼的常溫力學性能

表3 HR3C鋼的許用應力

基于奧氏體不銹鋼的本質來說，HR3C鋼有焊接熱裂紋敏感性。因此，施焊不能有過度的熱輸入。

2 HR3C鋼焊接性分析

2.1 熱裂紋傾向嚴重

HR3C鋼為改良型奧氏體不銹鋼，鋼中Cr、Ni元素含量較高，同時含有較多的合金元素，使得熔池液態金屬流動性變差。結合奧氏體不銹鋼的物理特性，熱導率低、線膨脹系數大，因此在焊接局部加熱和冷卻條件下，焊接接頭部位高溫停留時間較長，焊縫金屬及近縫區在高溫承受較高的拉伸應力與拉伸應變的作用下極易產生裂紋。

2.2 焊接接頭的耐蝕性

（1）晶間腐蝕。晶間腐蝕是奧氏體不銹鋼的一種最危險的破壞形式。其產生原因為：在450～850℃范圍內，C和Cr易在奧氏體晶粒邊界處形成金屬鍵化合物碳化鉻，如(CrFe)23C6等，從而使晶粒邊界處Cr含量減少。當晶界處Cr降低到小于12%時，就形成所謂的“貧鉻區”。在腐蝕介質作用下，貧鉻區會失去耐腐蝕能力而產生晶間腐蝕。因此，在焊接工藝上，應采用較小的焊接熱輸入，加速冷卻速度。

（2）應力腐蝕開裂。HR3C奧氏體不銹鋼焊接接頭的應力腐蝕開裂是焊接接頭較嚴重的失效形式，它是應力和腐蝕介質共同作用的結果。由于奧氏體不銹鋼熱導率低及膨脹系數大的特點，故焊接后焊接接頭常產生較大的殘余應力，如接頭處遇腐蝕介質局部濃度提高，可使焊接接頭產生應力腐蝕開裂，所以在焊接時須采取合理的預防措施。

3 焊接工藝

（1）焊接材料：焊絲ERNiCr-3φ2.4。（2）HR3C鋼焊口規格：φ60.32×4.66。（3）焊接方法：全氬弧焊。（4）焊件坡口型式如圖1所示。

圖1 焊件坡口型式

（5）焊接位置：6G。

（6）焊接工具、設備：

① 電焊機型號為ZX7400S（TIG/SMAW兩用逆變直流焊機）。

② 角向磨光機。

③ 遠紅外測溫槍，型號為：Raytak。

④ 鋼絲刷、榔頭、鏨子等工器具。

⑤ 接用焊機電流電壓表、氬氣流量計等在校驗期內，計量準確。

（7）準備：

① 焊接前期準備：

（a）檢查坡口的情況，保障符合要求。

（b）清除表面臟污可見金屬光澤。

（c）焊工焊前進行實操練習，以掌握母材、焊材和焊機的性能。

（d）焊前打磨坡口附近內外壁30mm見金屬光澤，坡口內去油去水及銹等雜物。

② 點固焊、對口裝配：

（a）試件對口間隙2～3mm，對口錯邊量≤1.0mm。

（b）點固焊1點，點焊長度≥10mm。

（c）選用規格為φ2.4的焊絲、焊接電流100A，電弧電壓9～11V。

（d）點固焊及正常施焊過程中不得在管子表面引弧、試驗室，控制10～12L/min的流量向內壁充氬至滿。

③ 焊接工藝參數如表4所示。

4 焊后檢驗及力學性能試驗

按照此焊接工藝完成的焊口經無損檢驗合格，符合DL/T 821—2002規程。

表4 焊接工藝參數

4.1 常溫彎曲試驗

HR3C鋼焊接試驗的彎軸直徑按照《焊接工藝評定規程》（DL/T 868—2004）要求取為試樣厚度的4.0倍。結果顯示，試樣內外表面沒有出現任何形式的超標裂紋，說明此次HR3C鋼焊制6G位置的試件彎曲性能的技術要求是合格的。

4.2 常溫拉伸試驗

HR3C鋼常溫拉伸的試樣斷在焊縫位置，抗拉強度的試驗檢測結果是675MPa，其規定最小值為655MPa，都是符合《焊接工藝評定規程》（DL/T 868—2004）中關于焊接工藝評定對試件抗拉強度的要求。故本次HR3C鋼6G位置焊制的試件常溫抗拉性能是合格的。

4.3 金相試驗

HR3C鋼試件的宏觀金相分析中，宏觀上超標的缺陷的情況并沒有發現，接頭的微觀組織均為奧氏體，試驗結果顯示，焊接接頭各區域中沒有過燒、過熱及淬硬組織，符合《焊接工藝評定規程》要求。

5 結語

HR3C鋼焊接工藝須嚴謹的做好施工過程中細節，只有嚴格遵照科學地制定工藝規范，才能取得滿意的焊接接頭。HR3C為細晶粒奧氏體不銹鋼，須遵循小規范（小線能量輸入），多層多道焊接（薄層快速焊）的施焊原則，層間溫度不超過150℃。