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(jī)組的三級(jí)過熱器出口連接管(材質(zhì)SA213-TP310HCbN)與集箱管(材質(zhì)為SA213-T92)異種鋼焊接接頭，在運(yùn)行后出現(xiàn)早期失效的現(xiàn)象。通過對(duì)新型奧氏體耐熱鋼與馬氏體耐熱鋼焊接工藝探究，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用焊接接頭力學(xué)性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)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(xué)成分和力學(xué)性能見表1和表2。

表1 HR3C鋼的化學(xué)成分 Wt%

表3 T92鋼的化學(xué)成分 Wt%

表2 HR3C鋼的力學(xué)性能

1.2 高合金馬氏體耐熱鋼

SA213T92鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表3和表4 。

表4 T92鋼的力學(xué)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(xiàn)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(guān)，它們會(huì)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(yīng)力腐蝕發(fā)生在含有Cl- 的介質(zhì)中，而且介質(zhì)溫度愈高愈容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂。

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

表5 ERNiCr-3的化學(xué)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?yàn)槌煞趾徒M織、性能上的差別很大，所以焊接異種鋼會(huì)遇到以下問題。

(1)焊縫金屬的稀釋。當(dāng)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(duì)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(jié)果焊縫金屬中可能會(huì)出現(xiàn)馬氏體組織，從而惡化接頭質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)裂紋。

(2)靠近熔合線的焊縫金屬出現(xiàn)過渡層。當(dāng)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(cè)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(cè)向奧氏體不銹鋼焊縫擴(kuò)散遷移，使靠近熔合線低合金側(cè)脫碳，出現(xiàn)脫碳層而軟化，在奧氏體不銹鋼焊縫側(cè)增碳，形成增碳層而硬化，降低接頭高溫持久強(qiáng)度和塑性。

(4)焊接應(yīng)力與焊接變形的產(chǎn)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(shù)比馬氏體耐熱鋼大30%左右，溫度變化時(shí)母材和焊縫線膨長系數(shù)不一致會(huì)產(chǎn)生的熱應(yīng)力，而導(dǎo)熱率只有1/2左右。因此在焊接時(shí)，受到迅速冷卻和加熱，必然產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力和變形。

3 實(shí)施的焊接工藝參數(shù)和技術(shù)措施

3.1 工藝試驗(yàn)用鋼材的規(guī)格及焊接材料

SA213-TP310HCbN/SA213-T92 Φ51×8/Φ51×7.5。鎳基焊材ERNiCr-3, Φ2.4?；瘜W(xué)成分和力學(xué)性能見表5。

3.2 焊接方法

對(duì)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(duì)口簡(jiǎn)圖 圖2 焊疲乏簡(jiǎn)圖

3.3 焊前預(yù)熱

一側(cè)為奧氏體型鋼時(shí)，對(duì)非奧氏體型鋼單側(cè)進(jìn)行預(yù)熱，且選擇較低的預(yù)熱溫度。故在靠近T92側(cè)預(yù)熱，預(yù)熱溫度100～150℃。焊接過程中采用紅外測(cè)溫儀或其他測(cè)量器具測(cè)量層間溫度，層間溫度≤150℃。在整個(gè)焊接過程中，當(dāng)焊縫溫度高于層間溫度時(shí)，必須立即停止焊接，待溫度恢復(fù)正常時(shí)繼續(xù)焊接。

3.4 保護(hù)氣體

為防止根部焊縫背面產(chǎn)生燒枯和內(nèi)凹現(xiàn)象，充氬氣進(jìn)行保護(hù)，流量為6～10 l/min。充氣3～5 min后，開始焊接。

3.5 施焊技術(shù)

采用較小線能量焊接，即小幅擺動(dòng)、間斷的焊接方法，焊層厚度控制在焊絲直徑內(nèi)。

在焊口點(diǎn)固前、每層焊道之間用鋼絲刷、角向磨光機(jī)等清理干凈。

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

3.6 焊接參數(shù)

采用較小線能量焊接，即小電流低電壓快速焊的焊接參數(shù)，見表6。

表6 焊接參數(shù)

3.7 熱處理工藝參數(shù)

熱處理種類：高溫回火熱處理參數(shù)：熱處理參數(shù)：焊縫與SA213-TP310HCbN鋼是奧氏體組織，不需熱處理，但T92鋼焊后會(huì)產(chǎn)生脆而硬的馬氏體組織，很容易開裂，焊后必須進(jìn)行熱處理，而奧氏體鋼焊后熱處理應(yīng)避開脆化溫度敏感區(qū)(475℃)、防止晶間腐蝕和σ相脆化，所以調(diào)整熱處理參數(shù)，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(yàn)結(jié)果

兩種不同工藝焊接的試件，焊縫的外表成型均良好，內(nèi)部無缺陷。但力學(xué)性能檢驗(yàn)有明顯的區(qū)別。

(1)試樣試驗(yàn)后。數(shù)據(jù)均符合合格指標(biāo)(見表7)。從兩組對(duì)比數(shù)據(jù)中得出結(jié)論，焊后熱處理工藝的采用與否對(duì)焊接接頭的強(qiáng)度性能影響不大。

表7 拉伸試驗(yàn)結(jié)果 MPa

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

表8 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

(3)沖擊試驗(yàn)。試樣試驗(yàn)后，數(shù)據(jù)均符合要求，結(jié)論合格，見表9。但從兩組對(duì)比數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，焊后熱處理對(duì)焊縫和HR3C熱影響區(qū)的沖擊韌性不大，但經(jīng)焊后熱處理的T92鋼熱影響區(qū)的沖擊韌性明顯優(yōu)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(yàn)結(jié)果

(4)硬度試驗(yàn)，其結(jié)果見表10。從兩組對(duì)比數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)焊后熱處理的焊接接頭(焊縫、兩側(cè)影響區(qū))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(qū)的硬度值符合要求，但T92鋼熱影響區(qū)的硬度數(shù)據(jù)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(yàn)結(jié)果

(5)金相檢驗(yàn)，其結(jié)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(jié)論合格。從金相微觀組織照片發(fā)現(xiàn)焊后熱處理工藝的采取與否，對(duì)焊縫和HR3C熱影響區(qū)側(cè)的影響不明顯，但T92熱影響區(qū)側(cè)經(jīng)焊后熱處理晶粒明顯細(xì)小，從而提高了韌性與塑性。

5 結(jié)語

(1)焊接方法選擇應(yīng)該盡量減小熔合比,盡量減少馬氏體鋼的熔化量，以抑制對(duì)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(shí)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(yīng)力，需一定的預(yù)熱溫度及控制層間溫度。

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

圖4 金相檢驗(yàn)結(jié)果

(5)此工藝可以廣泛地應(yīng)用于超超臨界、超臨界機(jī)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。