700℃超超臨界機組用C-HRA-1 鎳基合金的焊接工藝試驗與實踐

王立玉

（中國能源建設集團江蘇省電力建設第一工程有限公司，江蘇 南京 210001）

隨著電站鍋爐向高參數、大容量、高效率方向發展，很多國家都在開展700℃先進超超臨界機組研究。700℃等級的先進超超臨界機組對耐熱材料的性能提出了更高要求，傳統超超臨界機組使用的奧氏體鋼已不能滿足700℃等級的先進超超臨界機組高溫部件的使用要求，必須開發出能夠在700℃～750℃長期穩定服役的耐熱材料[1]。C-HRA-1 是我國自主研發的50Ni-25Cr-20Co-Al-Ti-Nb 鎳基高溫合金，其750℃、1.0×105h 下的持久強度目標值為≥100MPa，其目標是達到或超過國外同類型Inconel 740H 鎳基高溫合金的指標，是潛在的700℃超超臨界機組鍋爐高溫過熱器、再熱器以及集箱和主蒸汽管道用候選材料[2]。

我國700℃試驗研究項目在某電廠掛管試驗平臺上也選用了C-HRA-1 鎳基合金材料，因此，對其焊接性進行研究并制定可靠的焊接工藝，對應用于工程實際是非常必要的。

1 焊接性分析

C-HRA-1 鎳基合金的名義成分(wt%)為：C：0.03，Cr：4.5，Co：20.35，Mo：0.3，A1：1.47，Ti：l.27，Nb ：l.26，Mn：0.02，Fe：0.1，Si：0.05，B：0.001，Ni：Bal。由于C-HRA-1 鎳基合金固液相溫度間距小，熔融態流動性差，焊接時如果工藝措施不當，在快速冷卻結晶條件下，容易產生氣孔。另外，因合金成分與組織原因，加上合金線膨脹系數大，焊接時易產生較大的應力，焊縫結晶時低熔點共晶在收縮應力作用下易產生熱裂紋。

針對可能產生的焊接缺陷，在制定焊接工藝應采取針對性預防措施：①注意焊前清理，避免氧化物和油污產生氣孔；②保持穩定的電弧電壓，弧長盡量短；③采用小的焊接電流，減小焊接熱輸入，控制層間溫度；④填滿收弧弧坑，防止弧坑裂紋。

2 焊接工藝試驗

2.1 試件材質與規格

選用小徑管做焊接工藝試驗，管子規格為Ф33.7×7.1mm，采用相同的工藝焊接三個試件。

2.2 焊接方法

手工鎢極惰性氣體保護電弧焊（GTAW）打底、填充和蓋面。

2.3 焊接位置

45°固定（6G）。

2.4 坡口形式

采用V 形坡口，坡口角度為單邊 35°，鈍邊為0.5-1mm，坡口間隙2.5-3.5mm，如圖1 所示。

圖1 坡口形式

2.5 焊接工藝參數

焊接選用與母材成分相匹配的專用焊絲，焊接打底一層、填充一層、蓋面一層共三層，每層的焊接電流、電弧電壓、焊接速度等工藝參數范圍見表1。

表1 焊接工藝參數

2.6 保護氣體及流量

焊槍用氬氦混合氣體(75%Ar+25%He)，流量8-10L/min，背面保護用純氬氣體，流量6-8L/min。

2.7 施焊技術

焊前清理徹底，坡口及施焊區域兩側20mm 范圍內呈現金屬光澤，采用酒精清洗坡口面；單面焊雙面成形，小擺動連弧焊，短弧操作；適當增加在兩側坡口邊緣處停留時間，確保熔合良好；用不銹鋼專用砂輪片層間打磨，氧化膜去除干凈；焊絲頭如有氧化必須剪除；控制層間溫度不超過150℃；收弧填滿，不能有弧坑。

焊接時采用提前送氣與滯后停氣，增加電流衰減時間，焊接完成后繼續送氣，直至焊縫金屬冷卻（顏色由紅變暗）。

2.8 焊后熱處理

試件焊接完成后自然冷卻到室溫，然后整體放進熱處理爐升溫進行熱處理，升溫速度不大于200℃/h，升溫至800±10℃后保溫5 小時，然后空冷降溫至室溫。

2.9 檢驗與試驗

對三個焊接試件按DL/T868-2014《焊接工藝評定規程》的規定進行檢驗與試驗[3]。外觀檢查合格，未發現裂紋、未熔合、夾渣、弧坑、氣孔、咬邊等缺陷；按照DL/T821-2017《金屬熔化焊對接接頭射線檢測技術和質量分級》標準的規定進行射線檢測，焊縫質量合格，未發現內部有超標缺陷；按照GB/T2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》進行拉伸試驗，抗拉強度合格，斷在焊縫處，結果見表2。

表2 焊接接頭拉伸試驗結果

按照GB/T2653-2008《焊接接頭彎曲試驗方法》進行面彎和背彎試驗，在焊縫和熱影響區內任何方向上未發現開裂缺陷，彎曲試驗合格，結果見表3。

表3 焊接接頭彎曲試驗結果

按照DL/T884-2004《火電廠金相檢驗與評定技術導則》對焊接接頭進行微觀金相檢驗，微觀金相的焊縫、母材、熱影響區組織均為奧氏體+碳化物+析出物，未發現異常組織和其它缺陷，顯微組織見圖2 所示。

圖2 焊接接頭微觀金相組織

3 現場焊接實踐

在我國700 ℃試驗研究項目某電廠掛管試驗平臺上有Ф33.7×7.1mm 和Ф44.5×10mm 兩種規格的C-HRA-1 鎳基合金材料。為了保證現場安裝焊口質量，在取得了焊接工藝試驗與評定合格基礎上，針對現場具體情況制定了科學合理的焊接方案。

3.1 焊工培訓與考核

從事現場焊接的焊工首先要有不銹鋼管的焊接經驗并持有不銹鋼小徑管氬弧焊（GTAW）焊接操作證，然后進行氬弧焊方法用鎳基焊絲焊接奧氏體不銹鋼小徑管培訓，技能操作熟練后，按照TSG Z6002-2010《特種設備焊接操作人員考核細則》的規定考核合格。上崗前焊工再進行一次模擬練習，試件材質、規格、焊接工藝參數等全部與正式焊接時相同，拍片合格后方可上崗。

3.2 焊接工藝

現場安裝時Ф33.7×7.1mm 管子焊接我們完全采用了上述工藝試驗時的焊接工藝；Ф44.5×10mm 管子焊接與Ф33.7×7.1mm管子相比，除了增加填充層數，一層打底、三層填充、一層蓋面共五層外，其它工藝參數與施焊技術基本相同。

3.2 熱處理工藝

與工藝試驗時的熱處理不同的是，現場焊接后的熱處理采用的是自動控溫設備、局部電加熱法。用履帶式電加熱器包扎對接焊縫，管子對接焊縫位于加熱器包扎環帶中心，包扎范圍為：環帶寬度超出管子對接焊縫中心線各100mm，控溫熱電偶置于焊縫中心；電加熱器外采用硅酸鋁保溫毯保溫，且覆蓋范圍超出電加熱器邊緣100mm，保溫層厚度80mm。熱處理綁扎及熱電偶布置示意如圖3 所示。

圖3 熱處理綁扎及熱電偶布置示意圖

熱處理保溫溫度800±10℃，兩種規格管子的保溫時間均為5 小時，300℃以下升溫速度不控制，300℃以上升溫速度不大于200℃/h，保溫完成后空冷。

熱處理后對焊接接頭進行外觀檢查、滲透檢測與射線檢測，結果均合格，并在后續的運行試驗中狀態穩定。

4 結語

C-HRA-1 鎳基合金小徑管選用與母材成分相匹配的專用焊絲，采用手工鎢極氬氦混合氣體保護電弧焊方法，執行預防氣孔、裂紋等缺陷施焊技術措施，焊后經800℃高溫熱處理后，焊接接頭質量與性能滿足相關標準要求。在現場實際施焊時加強焊工技能培訓，并針對性模擬練習，是焊接質量的重要保證。