鍋爐異種金屬焊接的缺陷問(wèn)題分析

王堂均

（瀘州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，四川 瀘州 646000）

目前，國(guó)內(nèi)科技已經(jīng)有所發(fā)展，部分制造公司持續(xù)提升設(shè)備構(gòu)件的功能性，繼而適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)設(shè)備耐高溫及抗磨損等功能的需要。由此促使常規(guī)一種金屬材料進(jìn)行焊接處理的技術(shù)難以達(dá)到市場(chǎng)所需標(biāo)準(zhǔn)，因而衍生出異種金屬焊接技術(shù)。在鍋爐機(jī)組中，該種焊接模式有較大的缺陷，雖已通過(guò)改建焊接手段，優(yōu)化焊接處理，但期間的缺陷也需加以關(guān)注。

1 異種金屬焊接

現(xiàn)階段，常規(guī)金屬材料難以達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)，促使異種金屬出現(xiàn)在人們眼前。焊接處理中能把使用的材料優(yōu)點(diǎn)呈現(xiàn)出來(lái)，并規(guī)避單一材料造成的高投入，保障相關(guān)公司的經(jīng)濟(jì)利益。由于異種金屬的屬性有區(qū)別，比如，化學(xué)元素、熱導(dǎo)率等，所以會(huì)提高焊接工序的難度。若在焊接處理銜接位置出現(xiàn)鐵素體，便易引發(fā)裂縫問(wèn)題。因此，當(dāng)確定選擇異種金屬制作鍋爐，一旦發(fā)生膨脹異常及碳元素大范圍覆蓋、溫度波動(dòng)明顯等情境，會(huì)加快此種焊接材料的缺陷發(fā)生時(shí)間。為控制此類情況的出現(xiàn)概率，技術(shù)人員可應(yīng)用鎳合金材料控制碳素地?cái)U(kuò)散。該種缺陷問(wèn)題并非完全由焊接水平影響，如奧氏體不銹鋼、鎳合金、電阻焊等，均會(huì)出現(xiàn)不同程度的缺陷。

2 鍋爐異種金屬焊接的缺陷問(wèn)題

2.1 基于焊接技術(shù)

（1）奧氏體鋼焊接。如今在鍋爐多種金屬材料焊接期間，需結(jié)合現(xiàn)實(shí)狀況。此類焊接方式缺陷出現(xiàn)概率相對(duì)偏高，綜合大量數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)情況而言，引發(fā)該種焊接手段出現(xiàn)缺陷問(wèn)題的原因一般來(lái)源于過(guò)熱裝置中，鍋爐再熱及過(guò)熱設(shè)備形成裂縫，導(dǎo)致鍋爐焊接質(zhì)量下降。兩類設(shè)備制作原料一般是T22 鋼，所以，焊接缺陷也是由此形成。在焊接處理期間，要求完整記錄材料使用時(shí)間、頻率等信息，繼而判斷焊接缺陷問(wèn)題受到多項(xiàng)因素的干擾，包括鍋爐開啟模式，在熱態(tài)及常態(tài)下均易裂縫[1]。奧氏體鋼焊接處理后的鍋爐，裂縫一般在其持續(xù)工作超過(guò)三萬(wàn)個(gè)小時(shí)后會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)，而鍋爐啟動(dòng)階段發(fā)生缺陷通常在此動(dòng)作已經(jīng)完成至少五十次。如果從鍋爐全機(jī)組的層面來(lái)看，重復(fù)啟動(dòng)二百次左右后，會(huì)展現(xiàn)出顯性的缺陷故障，而時(shí)間大致可達(dá)到四萬(wàn)七千個(gè)小時(shí)左右后出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。

（2）鎳基溶焊問(wèn)題。異種金屬材料焊接期間，鎳基通常是造成裂縫的主要因素。鎳基和鐵元素接觸后，會(huì)直接在其周邊形成裂縫，一般在六萬(wàn)個(gè)小時(shí)后可以顯現(xiàn)裂紋，并于十萬(wàn)小時(shí)左右擴(kuò)大至裂縫的狀態(tài)。此類焊接方式的缺陷問(wèn)題同樣和過(guò)熱及再熱裝置有聯(lián)系，并在鍋爐的吸熱管道也發(fā)生相似的情況。

（3）壓力焊的缺陷。鍋爐進(jìn)行壓力焊處理后，晶界面發(fā)生裂縫是主要缺陷問(wèn)題。如果鍋爐工作時(shí)長(zhǎng)達(dá)到五萬(wàn)個(gè)小時(shí)及重啟次數(shù)多于二百八十次左右，便會(huì)產(chǎn)生縫隙。由此能得出，此種焊接裂縫的發(fā)生量較少，同時(shí)焊接處理標(biāo)準(zhǔn)更高。

（4）電阻焊的問(wèn)題。異種金屬本身便有不同，由于此類焊接需要經(jīng)過(guò)較為復(fù)雜的處理結(jié)構(gòu)，且現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行操作及應(yīng)用材料屬性都有較大的變動(dòng)性。鐵元素在焊接期間易發(fā)生應(yīng)變問(wèn)題，形成缺陷，究其根本在于金屬材料并非一類。鐵素體鋼材與奧氏體管材，二者的熱膨脹指數(shù)差異在27%左右。而此也難以表明部分裂縫發(fā)生時(shí)間及可用周期。而引發(fā)裂縫的原因主要有兩類。一方面，碳元素，如果此類物質(zhì)因焊接處理發(fā)生移動(dòng)，會(huì)利用鐵元素將其的作用擴(kuò)散至異種金屬焊接部分。產(chǎn)生的條件為過(guò)熱裝置的溫度上升至一定值，此項(xiàng)變化在使用不銹鋼材料實(shí)施焊接處理中更加明顯。若僅應(yīng)用鎳基焊絲處理，鍋爐一般需經(jīng)過(guò)多年使用后才能展現(xiàn)出來(lái)。另一方面，外界負(fù)荷，由此引發(fā)的缺陷問(wèn)題實(shí)際覆蓋范圍在管材周邊，由此也能證明此類裂縫是因?yàn)閺澢饔昧Ξa(chǎn)生。

（5）鍋爐鐵素體。采取特殊體焊接的情況較多，但其缺陷局限性也較多。此類缺陷問(wèn)題較少，在吸熱管道中，通常在工作三萬(wàn)個(gè)小時(shí)左右后，且重啟次數(shù)達(dá)到高于七次時(shí)，會(huì)發(fā)生焊縫。如果是非吸熱的管道，則發(fā)生在工作八萬(wàn)個(gè)小時(shí)，長(zhǎng)期次數(shù)至少達(dá)到六十五次左右，產(chǎn)生裂縫[2]。

2.2 基于具體指標(biāo)

異種金屬焊接是至少有兩種不同金屬材料，通過(guò)多種處理工藝完成加工。而此種操作勢(shì)必會(huì)形成銜接過(guò)渡層。而碳分子的重新配置，會(huì)產(chǎn)生脫碳層及增碳層，并引發(fā)成分結(jié)構(gòu)變動(dòng)，導(dǎo)致焊接接頭區(qū)域的功能性下降。因?yàn)椴煌饘僭谖锢砑盎瘜W(xué)性等特征有區(qū)別，和同種金屬焊接相較，其在焊接機(jī)理以及操作工藝上，均偏向復(fù)雜。根據(jù)具體指標(biāo)得出的缺陷問(wèn)題有：

（1）熔點(diǎn)差異。如果此項(xiàng)指標(biāo)的差額偏大，焊接難度也會(huì)隨之提升。該種情況是由于熔點(diǎn)偏低的金屬處于熔化狀態(tài)時(shí)，另一種金屬依舊是固體存在，繼續(xù)加熱，會(huì)導(dǎo)致熔點(diǎn)低的金屬出現(xiàn)過(guò)熱的問(wèn)題，造成材料流失，甚至發(fā)生蒸發(fā)等問(wèn)題，材料銜接位置無(wú)法實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的焊合。比如鐵與鉛材料，二者熔點(diǎn)指標(biāo)差別極大，且在固態(tài)狀態(tài)下無(wú)法溶解，而液態(tài)也不能完成溶解。液態(tài)金屬為層狀布局，在溫度下降后，二者會(huì)單獨(dú)結(jié)晶。

（2）膨脹系數(shù)。與熔點(diǎn)指標(biāo)相同，焊接金屬之間的差距和焊接難度呈同方向變動(dòng)。該指標(biāo)偏大的金屬，熱膨脹率會(huì)隨之提升，冷熱交替時(shí)的體積變化較大，并會(huì)造成極大的應(yīng)力，且難以徹底消除，繼而引發(fā)嚴(yán)重的形變。因?yàn)楹附觾蓚?cè)金屬可負(fù)荷的應(yīng)力程度存在差異，引發(fā)接縫位置和熱影響范圍會(huì)形成裂縫，嚴(yán)重情況下，會(huì)造成金屬和母材分離。

（3）熱導(dǎo)熱容。金屬熱導(dǎo)性與比熱容能影響焊接材料結(jié)晶成效，導(dǎo)致晶體的直徑增加，由此干擾不易熔金屬的潤(rùn)濕效果。所以，需要使用強(qiáng)力熱源完成焊接處理，其焊接應(yīng)對(duì)準(zhǔn)熱導(dǎo)率更佳的母材。

（4）電磁差異。如果焊接的金屬材料，電磁差異過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致焊接期間，產(chǎn)生的電弧缺乏穩(wěn)定性，由此降低接縫的處理質(zhì)量。此外，如果焊接處理后的金屬會(huì)產(chǎn)生較多的化合物，同樣難以有效焊接。因?yàn)榛衔锉旧砭邆湟欢ǖ拇嘈?，缺乏彈性，提高裂縫的發(fā)生概率，乃至斷裂。

（5）新生組織。金屬焊接期間，在焊接位置會(huì)產(chǎn)生組織波動(dòng)以及新生組織，此類物質(zhì)會(huì)造成銜接區(qū)域的功能性下降，導(dǎo)致焊接難度加大。而金屬熔合區(qū)域的力學(xué)性在熱影響區(qū)域內(nèi)不佳，塑韌性相對(duì)顯著。因?yàn)榇隧?xiàng)指標(biāo)的降低和應(yīng)力的影響，造成金屬銜接位置出現(xiàn)裂縫，特別是熱影響部分[3]。

（6）氧化問(wèn)題。比如使用銅與鋁兩種金屬材料，在溫度升高期間，便會(huì)產(chǎn)生二者的氧化物。而溫度降低后出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象時(shí)，氧化物的存在會(huì)導(dǎo)致焊接部分的結(jié)合效果下降，同時(shí)，由此形成的氧化共晶體會(huì)引發(fā)夾雜及裂縫問(wèn)題。加之化合物的脆性特征較為明顯，導(dǎo)致接縫位置的強(qiáng)度、彈性等性能下降。所以，運(yùn)用溶焊處理此類異種金屬難度較大。

（7）強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。異種金屬處理期間，焊縫通常無(wú)法與母材一側(cè)形成相同的強(qiáng)度等級(jí)。造成此種缺陷問(wèn)題的原因在于，熔點(diǎn)偏低的材料易被燒毀及蒸發(fā)，導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的化學(xué)成分出現(xiàn)變動(dòng)，穩(wěn)定性及力學(xué)性能下降。特別是有色金屬焊接中更為明顯。

3 鍋爐異種金屬焊接案例分析

3.1 案例一

有關(guān)奧氏體鋼管焊接問(wèn)題在近二十年有較大的研究成效。火力發(fā)電設(shè)備容量及參數(shù)的變化，促使鍋爐的局部焊接處理選擇此類鉻鎳不銹進(jìn)行處理。以經(jīng)濟(jì)層面來(lái)看，低溫段依舊采取鐵素體的耐熱鋼。發(fā)電機(jī)組局部之間的啟動(dòng)溫度有差異，所以應(yīng)當(dāng)選擇多種化學(xué)及組織結(jié)構(gòu)的鋼材，而此引發(fā)異種金屬焊接的問(wèn)題。近年來(lái)，異種金屬焊接處理的接頭失效事件較多，即使應(yīng)用鎳基材料也難以呈現(xiàn)出預(yù)期應(yīng)用周期。國(guó)內(nèi)電站鍋爐應(yīng)用的A/F 接頭周期偏短，少部分鍋爐會(huì)在較短工作周期內(nèi)多次發(fā)生爆漏問(wèn)題。例如首陽(yáng)山電廠的鍋爐過(guò)熱裝置及異種接頭，在工作時(shí)長(zhǎng)不足170h 后，一個(gè)月的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)三次爆管事故。而引發(fā)此種早期接頭失效的原因有：異種材料的膨脹指數(shù)差異過(guò)大；因?yàn)樘荚匾苿?dòng)，導(dǎo)致低合金鋼的區(qū)域出現(xiàn)脫碳帶情況；應(yīng)用焊接材料的蠕變不相適應(yīng)；不良因素在熱影響范圍內(nèi)晶界出現(xiàn)偏析問(wèn)題；鐵素體在熱影響范圍內(nèi)，蠕變及回火的脆性明顯；在該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)碳化物，此類物質(zhì)會(huì)引發(fā)裂縫缺陷；在臨近焊縫一面，形成氧化缺口，導(dǎo)致構(gòu)件的截面積縮小，內(nèi)部應(yīng)力過(guò)于集中；由氧化形成的的缺口，易出現(xiàn)擴(kuò)展；接頭區(qū)域有殘余應(yīng)力；機(jī)組啟停期間，形成溫度及應(yīng)力循環(huán)等。

焊接的接頭位置失效問(wèn)題，目前還未形成徹底統(tǒng)一的機(jī)理，有關(guān)研究學(xué)者還存有觀點(diǎn)不一致的情況。異種金屬焊接操作中，晶界裂縫能反映出蠕變孔洞出現(xiàn)變形。受低應(yīng)力的影響，此類孔洞會(huì)在原本晶界中形核，并會(huì)持續(xù)擴(kuò)大，最終造成損傷。碳遷移導(dǎo)致構(gòu)件各區(qū)域的碳元素濃度有差異，嚴(yán)重影響對(duì)應(yīng)區(qū)域化學(xué)及物理特性，此類問(wèn)題是鍋爐異種焊接處理中較為重要的情況，而此會(huì)影響焊接處理后設(shè)備的應(yīng)用周期。采用鎳基處理，雖能限制碳遷移，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)徹底解決[4]。

3.2 案例二

電廠內(nèi)兩臺(tái)規(guī)格為600MW 的鍋爐，過(guò)熱裝置的規(guī)格是的鋼質(zhì)管材。第二臺(tái)鍋爐的過(guò)熱裝置其中一個(gè)異種接頭出現(xiàn)爆管問(wèn)題，同時(shí)造成臨近的五根管道出現(xiàn)泄漏問(wèn)題。

其一，需針對(duì)泄漏位置進(jìn)行檢查。總體來(lái)看，管材已經(jīng)出現(xiàn)形變及膨脹的情況，其管材壁未出現(xiàn)過(guò)薄的現(xiàn)象，在其內(nèi)外部均出現(xiàn)豎向裂縫，斷裂位置平整，呈現(xiàn)脆性的特點(diǎn)。而后檢測(cè)泄漏部分的化學(xué)成分，由此判斷該管材是否存在制作不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題。硬度方面，泄漏管材硬度達(dá)到，而相連母材的硬度也達(dá)到。使用鹽酸水以及氰化鐵作為試驗(yàn)試劑。兩種金屬材料分別是回火馬氏體以及奧氏體，相關(guān)組織結(jié)構(gòu)處于正常狀態(tài)，焊接位置的金屬也未發(fā)生裂縫，無(wú)過(guò)熱痕跡。綜合系列性的組織分析，可以判斷，首先，此次接頭斷裂是由于熱口疲勞，同時(shí)呈現(xiàn)長(zhǎng)期過(guò)熱的問(wèn)題。其次，根據(jù)化學(xué)成分分析，管材滿足相關(guān)制作標(biāo)準(zhǔn)，材料本身無(wú)問(wèn)題。最后，管材的金相組織都為正常狀態(tài)，但已經(jīng)出現(xiàn)老化的問(wèn)題。

其二，破壞機(jī)理。因?yàn)楫惙N金屬焊接應(yīng)用奧氏體焊接，且母材與應(yīng)用金屬材料在化學(xué)成分、膨脹指數(shù)等均有不同，所以二者的熔合銜接部分可能會(huì)出現(xiàn)突變問(wèn)題，鍋爐期間，該部分需要被熱循環(huán)干擾，而形成熱應(yīng)力。同時(shí)，若過(guò)熱裝置工作時(shí)間已經(jīng)積累到四萬(wàn)個(gè)小時(shí)，則會(huì)引發(fā)接頭的早期實(shí)效。此外，因?yàn)橄嚓P(guān)管材本身自重、運(yùn)行期間晃動(dòng)、受熱變形等均會(huì)造成一定量的額外應(yīng)力。所以，同時(shí)受到熱應(yīng)力及結(jié)構(gòu)的影響，構(gòu)件焊接界面易產(chǎn)生疲勞感，由此形成的裂縫逐漸擴(kuò)展至內(nèi)部管壁，造成整體斷裂的事故。

其三，此類問(wèn)題的應(yīng)對(duì)策略。因?yàn)楫惙N金屬焊接位置在爐膛內(nèi)部，鍋爐工作期間，溫度可在一千攝氏度左右，同時(shí)還伴隨著較多的波動(dòng)，對(duì)焊接界面造成極大的交變應(yīng)力。加之高溫會(huì)縮短結(jié)構(gòu)材料的使用周期，加快老化，并使構(gòu)件的強(qiáng)度遭到破壞。若焊接界面鍋爐頂部，此時(shí)的周邊環(huán)境僅為上一種情況的一半左右，其無(wú)大幅度地波動(dòng)，有效控制異種金屬的焊接界面受外界應(yīng)力程度，可從側(cè)面延長(zhǎng)其應(yīng)用周期。

4 結(jié)語(yǔ)

鍋爐在工業(yè)生產(chǎn)中得以有效運(yùn)用，并為提升該設(shè)備應(yīng)用的安全性及穩(wěn)定性，需要從制作生產(chǎn)入手。通過(guò)上文對(duì)異種金屬的焊接分析，可以得出：其一，異種金屬處理需綜合考慮多項(xiàng)指標(biāo)；其二，不同金屬組合需選用差異化的焊接技術(shù)；其三，盡量選擇差異不大的兩種金屬原料。