汽輪機葉片金屬材料的焊接技術(shù)淺析

李全忠 丁立強 趙啟

（黑龍江省火電第三工程公司，黑龍江 哈爾濱 150016）

一.引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和科學(xué)進步，現(xiàn)代工程中的許多零部件需要工作在高溫或低溫、腐蝕介質(zhì)、電磁場或放射性環(huán)境中，其中有色金屬材料的用量也比較大。所選用的材料應(yīng)該是能滿足工作要求的特殊材料，單獨使用一種材料常常不能滿足實際應(yīng)用中的各種要求。因此在現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)中，我們不僅需要對大量的同種材料進行焊接，同時也需要對相當(dāng)數(shù)量的異種材料進行焊接，在工程及制造中采用異種材料焊接結(jié)構(gòu)，不僅能滿足不同工作條件對材質(zhì)的不同要求，而且還能節(jié)約貴重金屬，降低結(jié)構(gòu)整體成本，充分發(fā)揮不同材料的性能優(yōu)勢。在某種情況下，異種材料結(jié)構(gòu)的綜合性能甚至超過單一金屬結(jié)構(gòu)。異種材料的焊接日益受到人們的重視，具有廣闊的應(yīng)用前景，近年來在航空航天、石油化工、電站鍋爐、核動力、機械、電子、造船及其他一些領(lǐng)域獲得越來越廣泛的應(yīng)用。

二.不銹鋼的分類

不銹鋼是指主加元素鉻含量能使鋼處于鈍化狀態(tài)，又具有不銹特性的鋼。為此，不銹鋼w(Cr)應(yīng)高于12}。此時鋼的表面能迅速形成致密的Cr103氧化膜，使鋼的電極電位和在氧化介質(zhì)中的耐蝕性發(fā)生突變性提高。在非氧化性介質(zhì)中，鉻的作用并不明顯，除了鉻外，銹鋼中還須加入能使鋼鈍化的Ni,Mo等其他元素。不銹鋼按照組織類型，可以分為五類:

(1)奧氏體不銹鋼

奧氏體不銹鋼在各種類型不銹鋼中應(yīng)用最為廣泛，品種也多。由于奧氏體不銹鋼的Cr,Ni含量較高，因此在氧化性、中性以及弱還原性介質(zhì)中均具有良好的耐蝕性。奧氏體不銹鋼的塑韌性優(yōu)良，冷加工性能俱佳，焊接性由于其他類型不銹鋼，因而廣泛應(yīng)用于建筑裝飾、食品工業(yè)、醫(yī)療器械、紡織印染設(shè)備以及石油、化工、原子能等工業(yè)領(lǐng)域。

(2)鐵素體不銹鋼

鐵素體不銹鋼的應(yīng)用比較廣泛，其中Cr13和Cr17型鐵素體不銹鋼主要用于腐蝕環(huán)境不十分苛刻的場合，例如室內(nèi)裝飾、廚房設(shè)備、家電產(chǎn)品、家用器具等。超低碳高鉻含鋁鐵素體不銹鋼因?qū)β然飸?yīng)力腐蝕不敏感，同時具有良好的耐點蝕、縫隙腐蝕性能，因而廣泛用于熱交換設(shè)備、耐海水設(shè)備、有機酸及制堿設(shè)備等。

(3)馬氏體不銹鋼

馬氏體不銹鋼應(yīng)用較為普遍的是Cr 13型馬氏體不銹鋼。為獲得或改善某些性能，添加Ni,Mo等合金元素，形成一些新的馬氏體不銹鋼，例如OCr13Ni 14Mo,OCr16Ni5Mo等。馬氏體不銹鋼主要用于硬度、強度要求較高，耐腐蝕要求不太高的場合，如量具、刃具、餐具、彈簧、軸承、汽輪機葉片、水輪機轉(zhuǎn)輪等。

(4)雙相不銹鋼

雙相不銹鋼是金相組織由奧氏體和鐵素體兩相組成的不銹鋼，而且各相都占有較大的比例。雙相不銹鋼具有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的一些特性，韌性良好，強度較高，耐氯化物應(yīng)力腐蝕。適用制作海水處理設(shè)備、冷凝器、熱交換器等，在石油、化工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

(5)沉淀硬化不銹鋼

沉淀硬化不銹鋼是在不銹鋼中單獨或復(fù)合添加硬化元素，通過適當(dāng)熱處理獲得高強度、高韌性并具有良好耐蝕性的一類不銹鋼。通常作為耐磨、耐蝕高強度結(jié)構(gòu)件，如軸、齒輪、葉片等轉(zhuǎn)動部件和螺栓、墊圈、彈簧、閥、泵等零部件以及高強度壓力容器、化工處理設(shè)備。

三.不銹鋼的焊接性

(1)熱裂紋傾向

不銹鋼具有較高的熱裂紋敏感性，在焊縫及近縫區(qū)都有產(chǎn)生熱裂紋的可能。熱裂紋通?？煞譃槟塘鸭y、液化裂紋和高溫塑裂紋三大類，由于裂紋均在焊接過程的高溫區(qū)發(fā)生，以又稱高溫裂紋。凝固裂紋主要發(fā)生在焊縫區(qū)，最常見的弧坑裂紋就是凝固裂紋。液化裂紋多出現(xiàn)在靠近熔合線的近縫區(qū)。在多層多道焊縫中，層道間也有可能出現(xiàn)液化裂紋。對于高溫失塑裂紋，通常發(fā)生在焊縫金屬凝固結(jié)晶完了的高溫區(qū)。

(2)焊接接頭的耐蝕性

①晶間腐蝕根據(jù)不銹鋼及其焊縫金屬化學(xué)成分、所采用的焊接工藝方法，焊接接頭可能在三個部位出現(xiàn)晶間腐蝕，包括焊縫的晶間腐蝕、緊靠熔合線的過熱區(qū)"刀蝕"及熱影響區(qū)敏化溫度區(qū)的晶間腐蝕。

②應(yīng)力腐蝕開裂不銹鋼焊接接頭的應(yīng)力腐蝕開裂是焊接接頭比較嚴重的失效形式，通常表現(xiàn)為無塑性變形的脆性破壞，危害嚴重，它也是最為復(fù)雜合難以解決的問題之一。影響應(yīng)力腐蝕開裂的因素有焊接殘余拉應(yīng)力，焊接接頭的組織變化，焊前的各種熱加工、冷加工引起的殘余應(yīng)力，酸洗處理不當(dāng)或在母材上隨意打弧，焊接接頭設(shè)計不合理造成應(yīng)力集中或腐蝕介質(zhì)的局部濃度提高等等。

(3)焊接接頭的脆化

對于不銹鋼除了耐腐蝕性和抗氧化性之外，在低溫時的使用性能也是及其重要的，焊接金屬的塑韌性就成為關(guān)鍵性能。

四.不銹鋼的焊接方法

許多焊接方法都可用于不銹鋼的焊接，但對于不同類型的不銹鋼，由于其組織性能存在較大的差異，焊接性也各不相同，因此，不同的焊接方法對于不同類型的不銹鋼具有不同的適用性。在選擇焊接方法時，要根據(jù)不銹鋼母材的焊接性，對焊接接頭力學(xué)性能、耐蝕性能的綜合要求來確定。例如埋弧焊時一種高效優(yōu)質(zhì)的焊接方法，對于含有少量鐵素體的奧氏體不銹鋼焊縫來講，通常不會產(chǎn)生焊接熱裂紋，但對于純奧氏體不銹鋼焊縫，由于許多焊劑向焊縫金屬中增硅，焊縫金屬的熱裂紋敏感性大，因此一般不采用埋弧焊焊接純奧氏體不銹鋼，除非采用特殊的焊劑。當(dāng)焊接接頭的耐蝕性要求高時，鎢極氫弧焊等惰性氣體保護焊具有明顯的優(yōu)勢。對于一些特種焊接方法，如電阻點焊、縫焊、閃光焊及螺柱焊，也可用于不銹鋼的焊接，與普通低碳鋼相比，由于不銹鋼具有較高的電阻和較強的高度，因此需要較低的焊接電流和較大的壓力或頂鍛力。釬焊也廣泛用于不銹鋼的連接，母材類型不同，釬焊溫度也不相同，與普通碳鋼相比，不銹鋼用釬劑有較強的腐蝕性，為了防止殘留的釬劑對釬焊接頭的腐蝕，需對釬焊接頭予以仔細的清理。

小結(jié)與展望

雖然不銹鋼作為一種十分成熟的材料，但隨著科技的進步，金屬鎂及其合金是目前可應(yīng)用的最輕的結(jié)構(gòu)材料，具有鋼不可替代的性能，如高比強度、高比彈性模量、高阻尼減震性和極低的密度，及易回收利用等一系列優(yōu)點，被稱為"21世紀的綠色材料"，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、計算機、通訊和家電等行業(yè)。北美從80年代中期開始在汽車上使用鎂合金，每年以16.6%的速度增長，其中增長最快的是壓鑄件，占70%-80%。世界范圍內(nèi)的汽車用鎂合金也以較大比例增長。另外，鎂還有其它優(yōu)點如:好的吸濕能力、流動性、機械加工性能和電磁干擾屏蔽性能!a-iul0鎂的這些特性在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用符合人們對汽車工業(yè)發(fā)展的要求:減輕車重、提高燃料經(jīng)濟性、降低排放、提高安全性。由此，北美、歐洲、日本、韓國的汽車用鎂合金量大大增加。焊接作為材料成型，優(yōu)化結(jié)構(gòu)降低加工成本的重要方法，必然會得到廣泛的采用。在今后汽輪機的應(yīng)用中，會將鎂及其合金很多的應(yīng)用其中，對其的焊接技術(shù)將在日后作為研究的重點。

[1]陳富根.汽輪機制造中的焊接技術(shù).【期刊】上海汽輪機.1984-04-01.