耐熱異種鋼焊接技術(shù)分析及在火電廠中的應(yīng)用研討

李博才

摘? 要：耐熱異種鋼焊接因?yàn)榻饘倩瘜W(xué)成分各異、構(gòu)造不同、機(jī)械和物理特性差別較大，所以相對(duì)于同種鋼焊接在技術(shù)上要更加繁瑣，這更加需要可靠性強(qiáng)的焊接工藝。目前我國(guó)及世界范圍內(nèi)的火電廠為了能夠提高熱效率、降低煤耗不斷提高蒸汽參數(shù)和機(jī)組容量，新材料、新技術(shù)大量運(yùn)用其中，因此火電廠焊接作業(yè)的對(duì)象、任務(wù)和環(huán)境產(chǎn)生了翻天覆地的變化。在火電廠眾多焊接難題當(dāng)中，較為常見(jiàn)的一種就是耐熱異種鋼的焊接工藝了。借助了很多非實(shí)際應(yīng)用的研究結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)想要妥善解決火電廠耐熱異種鋼的焊接問(wèn)題需要正確的焊接材料與焊接工藝，然而這些數(shù)據(jù)還需進(jìn)一步探索發(fā)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：耐熱;異種鋼;焊接;火電廠

中圖分類(lèi)號(hào)：TG457.11 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）30-0113-02

Abstract： Because of the different chemical composition， structure and mechanical and physical properties of heat-resistant dissimilar steel， the welding of heat-resistant dissimilar steel is more complicated than that of the same kind of steel， which requires more reliable welding process. At present， in order to improve thermal efficiency， reduce coal consumption and continuously improve steam parameters and unit capacity， new materials and technologies are widely used in thermal power plants in China and around the world. Therefore， the object， task and environment of welding operation in thermal power plants have undergone earth-shaking changes. Among the many welding problems in thermal power plants， one of the more common is the welding process of heat-resistant dissimilar steel. With the help of a lot of research results of non-practical application， it is not difficult to find that correct welding materials and welding processes are needed to properly solve the welding problems of heat-resistant dissimilar steel in thermal power plants. However， these data need to be further explored and discovered.

Keywords： heat resistance; dissimilar steel; welding; thermal power plant

引言

我國(guó)工業(yè)化進(jìn)入非常關(guān)鍵的時(shí)期，據(jù)權(quán)威數(shù)據(jù)顯示，2019年中國(guó)人均GDP突破1萬(wàn)美元，目前我國(guó)發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘繕I(yè)績(jī)超過(guò)20億千瓦，其中火電裝機(jī)近12億千瓦。焊接作為火電廠建設(shè)質(zhì)量和發(fā)電設(shè)備安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)學(xué)科。目前，世界范圍內(nèi)的大型電廠都在向著高參數(shù)、高效率、大容量方向前進(jìn)，很多大型的電廠中都應(yīng)用了新技術(shù)、新材料，大型電廠的焊接工作對(duì)象、任務(wù)和條件發(fā)生了質(zhì)的變化。因此，大型火電廠專(zhuān)用鋼的開(kāi)發(fā)力度不斷加大，焊接技術(shù)的研究和應(yīng)用是保證我國(guó)電力發(fā)展目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)。

1 耐熱異種鋼焊縫的不均勻特性

1.1 焊縫金屬的化學(xué)和金相組織不均勻性

眾所周知，不論何種焊縫，其都是一個(gè)較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，它的成分與焊縫兩側(cè)的金屬相是有很大差別的，而且它是一個(gè)力學(xué)性能與組織成分都是不固定的非均勻體。所謂熔合比就是焊縫中母材分量所占的比例，只有在準(zhǔn)確預(yù)估熔合比的極限值才能夠利用焊條或焊絲來(lái)評(píng)價(jià)異種金屬焊接接頭的焊縫性能。熱源功率的數(shù)值、焊件、熔合比、包括熱源位置、焊接材料、接頭形式、焊接電流、電弧電壓等因素都有一定的聯(lián)系。

通常情況下，焊接接頭各部分其組成成分是多樣的而且不均勻。而且在經(jīng)歷焊接熱循環(huán)之后，接頭部分會(huì)出現(xiàn)不同區(qū)域金相不同的現(xiàn)象，而且有部分區(qū)域的組織會(huì)相當(dāng)復(fù)雜。依照金相分析和稀釋率，能夠較為全面的判斷耐熱異種鋼焊接接頭焊縫區(qū)的金相組織。這些金相組織具有不均勻性，這不只取決于母材和填料的化學(xué)成分，還與焊接方法、焊道布置和數(shù)量、焊接工藝等有關(guān)。

1.2 性能和應(yīng)力分布的不均勻性

在焊接接頭處存在著很多具有不同化學(xué)成分與金相組織的區(qū)域，直接造成了焊接接頭存在力學(xué)性能差異的現(xiàn)象。而且焊接接頭不同部分的強(qiáng)度、硬度和塑性變化也較大。有時(shí)在三到五個(gè)顆粒范圍內(nèi)，顯微硬度呈指數(shù)變化。在焊縫兩側(cè)的熱影響區(qū)，沖擊值甚至相差數(shù)倍。

在焊接接頭處必然會(huì)存在殘余應(yīng)力，因?yàn)閮蓚?cè)母材和填充材料的塑性不一樣，導(dǎo)致了殘余應(yīng)力的出現(xiàn)。同時(shí)，不同區(qū)域材料導(dǎo)熱系數(shù)的差別會(huì)導(dǎo)致焊接時(shí)熱循環(huán)溫度場(chǎng)出現(xiàn)變化。通常來(lái)說(shuō)，耐熱異種鋼焊接接頭不同區(qū)域的熱膨脹系數(shù)有差異，并且有溫度循環(huán)導(dǎo)致的界面附加熱應(yīng)力分布也并非均勻，所以會(huì)出現(xiàn)峰值應(yīng)力，這是導(dǎo)致焊接接頭斷裂的原因。

2 異種鋼焊接中存在的問(wèn)題

2.1 碳遷移

導(dǎo)致異種鋼焊接接頭出現(xiàn)問(wèn)題的一個(gè)重要原因就是碳遷移或碳擴(kuò)散。在對(duì)擁有不同鉻含量的鋼進(jìn)行焊接時(shí)，亦或是焊縫與母材鉻含量不一樣時(shí)，要考慮到鉻是一種強(qiáng)碳化物產(chǎn)生的元素，焊接接頭的高鉻區(qū)會(huì)發(fā)生滲碳，而貧鉻區(qū)會(huì)發(fā)生脫碳。這都是因?yàn)樘荚又睆教?dǎo)致的，通常在焊接區(qū)域溫度都非常高，而在高溫下，碳原子極易擴(kuò)散。在長(zhǎng)期的高溫環(huán)境下，或者長(zhǎng)時(shí)間的熱處理環(huán)境中，碳原子會(huì)擴(kuò)散到高鉻區(qū)域，慢慢在碳原子有很強(qiáng)親和性的鉻元素區(qū)域形成一個(gè)碳化物聚集區(qū)。而在原來(lái)的區(qū)域，因?yàn)樘荚拥拇罅哭D(zhuǎn)移，就會(huì)形成鐵素體帶，而且他們的晶粒直徑都很大。日本指出，在加熱條件相同的情況下，如果存在含鎳較高的材料就能夠有效阻止碳遷移。所以，很多的相關(guān)學(xué)者都認(rèn)為可以利用鎳基材料來(lái)焊接不同區(qū)域鉻含量差異較大的金屬，實(shí)現(xiàn)減少碳遷移的目的。鎳基焊接材料雖然能抑制碳遷移，但在高溫持久性試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了熔合線失效的問(wèn)題，所以鎳基焊材使用要充分考慮接頭的使用工況條件。前日本學(xué)者新賽夫曾言，如今造成電廠和原子能設(shè)備中鐵素體鋼和奧氏體鋼異種鋼接頭損壞的最大的一個(gè)因素就是異種鋼接頭熔合區(qū)塑性下降[1]。上個(gè)世紀(jì)也有一些學(xué)者認(rèn)為，如果12Cr1MoV和1Cr18Ni9Ti的接頭在高溫下長(zhǎng)時(shí)間工作，其熱強(qiáng)度就無(wú)法保證。然而，無(wú)論情況如何，我們都認(rèn)為異種鋼接頭中的碳遷移現(xiàn)象并不好，應(yīng)采取措施加以抑制。

2.2 焊接接頭的腐蝕問(wèn)題

高鉻鐵素體不銹鋼焊接接頭受到焊接勢(shì)循環(huán)的影響，當(dāng)加熱溫度超過(guò)950℃的區(qū)間之后進(jìn)行冷卻操作，晶粒間會(huì)出現(xiàn)腐蝕的趨勢(shì)。

奧氏體不銹鋼焊接接頭晶間腐蝕的作用機(jī)理與貧鉻理論相符。通常在退火過(guò)程中對(duì)不銹鋼進(jìn)行焊接操作，組成成分包括固溶微量碳和氮的鐵素體及一部分分布均衡的碳和氮的化合物，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，具有良好的耐腐蝕性能。當(dāng)焊接溫度超過(guò)950℃之時(shí)，碳、氮的化合物將會(huì)在鐵素體相中慢慢溶解，從而獲得碳、氮過(guò)飽和固溶體。因?yàn)樘肌⒌卦阼F素體中的分散速率要比奧氏體中更快，焊接完成后的冷卻環(huán)節(jié)，或者在淬火冷卻環(huán)節(jié)，都有足夠的實(shí)踐分散至晶界區(qū)域。另外由于晶界的碳、氮元素的濃度比晶內(nèi)濃度高，導(dǎo)致晶界中沉淀出Cr、Fe的碳化物以及Cr的氮化物。但是鉻的分散速率較低，造成晶界中存在貧鉻固溶區(qū)域。受到腐蝕介質(zhì)的影響就造成了晶間腐蝕情況的發(fā)生。

2.3 淬硬脆性

由于異種鋼接頭界面附近化學(xué)元素濃度的下降，會(huì)產(chǎn)生馬氏體組織，就會(huì)出現(xiàn)材料韌性下降即淬硬性的情況。碳遷移會(huì)導(dǎo)致熔合兩側(cè)出現(xiàn)滲碳層，無(wú)疑會(huì)導(dǎo)致接頭的淬硬性提高。而接頭的脆性傾向會(huì)因?yàn)樘歼w移造成的淬火脆性和脆性的共同作用而變得越發(fā)嚴(yán)重。但是，影響程度總體還是要受到材料混合與工藝的變化的制約。相對(duì)于填充金屬選擇不當(dāng)?shù)暮蠊?，適合的選擇也有很多好處，比如可以降低其對(duì)接頭綜合性能的影響以及使接頭具有滿足安全要求的最小韌性和塑性等。所以，通過(guò)正確選擇填充金屬和工藝，可以使焊縫附近接頭的馬氏體組織盡可能有限，對(duì)韌性影響不大。

3 耐熱異種鋼焊接技術(shù)在火電廠中的應(yīng)用

3.1 焊接材料選擇

進(jìn)行異種鋼焊接的環(huán)節(jié)，采用適當(dāng)?shù)暮附硬牧鲜瞧渲械年P(guān)鍵。焊接接頭化學(xué)組成主要由填充金屬提供，比如，將不銹鋼與碳鋼進(jìn)行焊接，要充分考慮二者的組織結(jié)構(gòu)、化學(xué)作用和應(yīng)力的散布、碳的分散等因素的作用，尤其要關(guān)注焊絲、焊條等填充物的選用，可以采用不銹鋼焊材。

珠光體+奧氏體已經(jīng)在DL/T 752-2010《電力發(fā)電廠異種鋼焊接技術(shù)規(guī)程》中確定了高匹配選擇，比如說(shuō)

12Cr1MoV+1Cr18Ni9Ti異種鋼接頭，就明確說(shuō)明在使用工況不超過(guò)425℃時(shí)選用Cr、Ni含量較奧氏體側(cè)母材高的奧氏體焊材，在使用工況超過(guò)425℃時(shí)選用鎳基焊材。同時(shí)還規(guī)定了中匹配或低匹配原則，珠光體+馬氏體的接頭就是這樣的原則，比如12Cr1MoV+P91的接頭中匹配采用R407焊條，焊接10CrMo910+P91時(shí)低匹配選用R407焊條，就得出了性能最好的結(jié)論[2]。因此，珠光體+馬氏體接頭宜選用中、低匹配焊材，珠光體+奧氏體接頭宜選用高匹配焊材。

3.2 重視焊接接頭坡口和焊接方法

焊接接頭的坡口可以有效提高異種鋼焊接效率。比如不銹鋼與碳鋼的一般結(jié)構(gòu)件焊接，最佳的焊接接頭坡口原則是：壁厚<3mm的焊縫厚度不開(kāi)坡口，能夠直接進(jìn)行焊接操作，運(yùn)用單面焊透的方法;壁厚為4～6mm的焊縫在具備雙面焊接條件時(shí)也可以不開(kāi)擇坡口，采用雙面焊接的方法;>6mm以上可選擇V、U或X形的坡口，最合適的坡口角度和尺寸應(yīng)當(dāng)遵循在便于操作、保證焊接質(zhì)量的前提下，盡量減少填充金屬量，以減少焊接應(yīng)力和變形。

普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為，氫是造成焊接冷裂紋（延遲裂紋）的主要因素，而手工電焊條其中的熔化金屬具備更大的氫溶解度，當(dāng)進(jìn)行異種鋼焊接操作中通常會(huì)使用較高的預(yù)熱溫度（對(duì)預(yù)熱溫度需求較高一側(cè)母材的預(yù)熱溫度）。當(dāng)一側(cè)為奧氏體不銹鋼時(shí)可以只對(duì)非奧氏體側(cè)母材進(jìn)行預(yù)熱，焊接層間溫度應(yīng)控制在150℃以下。在焊接方式的選擇上，對(duì)于厚度不大于8mm的火電廠受熱面管子建議采用具有焊接應(yīng)力低、熱影響區(qū)不大、焊接能量密集、內(nèi)部缺陷少、操作簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)的氬弧焊接方式，可以有效的減少氫在金屬液中的含量，防止延遲裂紋等問(wèn)題的發(fā)生。

3.3 關(guān)于焊后熱處理

DL/T 869-2012《電力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》中明確指出奧氏體鋼在采用奧氏體焊接材料焊接時(shí)不宜進(jìn)行焊后熱處理，但是對(duì)于鐵素體+奧氏體類(lèi)異種鋼來(lái)說(shuō)，為降低殘余應(yīng)力、防止接頭早期失效，應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理，但應(yīng)注意減少脆化溫度敏感區(qū)的停留時(shí)間，熱處理的溫度不能過(guò)低，否則可能造成接頭冷裂紋;從碳遷移的角度考慮，熱處理溫度不能過(guò)高。此類(lèi)異種鋼熱處理可采用高溫短時(shí)加熱[3]。

對(duì)于鐵素體+鐵素體類(lèi)異種鋼，應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理，熱處理溫度上限不能超過(guò)兩側(cè)母材及選用的焊接材料的Ac1，恒溫時(shí)間可以執(zhí)行對(duì)恒溫時(shí)間要求較長(zhǎng)側(cè)母材的恒溫時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著新型耐熱鋼的不斷發(fā)展，鍋爐蒸汽參數(shù)的不斷提升。無(wú)疑給異種鋼焊接提出了一道道的難題，而依據(jù)不斷的分析和實(shí)踐應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)選擇合適的焊接材料和焊接工藝可以解決火電廠典型異種鋼焊接問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]代曉瑛.淺析異種鋼焊接技術(shù)在火電廠中的應(yīng)用[J].大科技：科技天地，2019（19）：176-177.

[2]劉鑫.淺析異種鋼焊接技術(shù)在火電廠中的應(yīng)用[J].大科技，2018，000（036）：107-108.

[3]侯世勇.耐熱鋼焊接技術(shù)在火電廠中的應(yīng)用研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2019（15）：52-57.