李博才

摘? 要：耐熱異種鋼焊接因為金屬化學成分各異、構造不同、機械和物理特性差別較大，所以相對于同種鋼焊接在技術上要更加繁瑣，這更加需要可靠性強的焊接工藝。目前我國及世界范圍內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)和機組容量，新材料、新技術大量運用其中，因此火電廠焊接作業(yè)的對象、任務和環(huán)境產(chǎn)生了翻天覆地的變化。在火電廠眾多焊接難題當中，較為常見的一種就是耐熱異種鋼的焊接工藝了。借助了很多非實際應用的研究結果，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)還需進一步探索發(fā)現(xiàn)。

關鍵詞：耐熱;異種鋼;焊接;火電廠

中圖分類號：TG457.11 文獻標志碼：A 文章編號：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

我國工業(yè)化進入非常關鍵的時期，據(jù)權威數(shù)據(jù)顯示，2019年中國人均GDP突破1萬美元，目前我國發(fā)電裝機總容量業(yè)績超過20億千瓦，其中火電裝機近12億千瓦。焊接作為火電廠建設質量和發(fā)電設備安全運行的重要基礎學科。目前，世界范圍內的大型電廠都在向著高參數(shù)、高效率、大容量方向前進，很多大型的電廠中都應用了新技術、新材料，大型電廠的焊接工作對象、任務和條件發(fā)生了質的變化。因此，大型火電廠專用鋼的開發(fā)力度不斷加大，焊接技術的研究和應用是保證我國電力發(fā)展目標實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)。

1 耐熱異種鋼焊縫的不均勻特性

1.1 焊縫金屬的化學和金相組織不均勻性

眾所周知，不論何種焊縫，其都是一個較為復雜的結構，它的成分與焊縫兩側的金屬相是有很大差別的，而且它是一個力學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，只有在準確預估熔合比的極限值才能夠利用焊條或焊絲來評價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)域的組織會相當復雜。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成分，還與焊接方法、焊道布置和數(shù)量、焊接工藝等有關。

1.2 性能和應力分布的不均勻性

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

在焊接接頭處必然會存在殘余應力，因為兩側母材和填充材料的塑性不一樣，導致了殘余應力的出現(xiàn)。同時，不同區(qū)域材料導熱系數(shù)的差別會導致焊接時熱循環(huán)溫度場出現(xiàn)變化。通常來說，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)導致的界面附加熱應力分布也并非均勻，所以會出現(xiàn)峰值應力，這是導致焊接接頭斷裂的原因。

2 異種鋼焊接中存在的問題

2.1 碳遷移

導致異種鋼焊接接頭出現(xiàn)問題的一個重要原因就是碳遷移或碳擴散。在對擁有不同鉻含量的鋼進行焊接時，亦或是焊縫與母材鉻含量不一樣時，要考慮到鉻是一種強碳化物產(chǎn)生的元素，焊接接頭的高鉻區(qū)會發(fā)生滲碳，而貧鉻區(qū)會發(fā)生脫碳。這都是因為碳原子直徑太小導致的，通常在焊接區(qū)域溫度都非常高，而在高溫下，碳原子極易擴散。在長期的高溫環(huán)境下，或者長時間的熱處理環(huán)境中，碳原子會擴散到高鉻區(qū)域，慢慢在碳原子有很強親和性的鉻元素區(qū)域形成一個碳化物聚集區(qū)。而在原來的區(qū)域，因為碳原子的大量轉移，就會形成鐵素體帶，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，很多的相關學者都認為可以利用鎳基材料來焊接不同區(qū)域鉻含量差異較大的金屬，實現(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中發(fā)現(xiàn)了熔合線失效的問題，所以鎳基焊材使用要充分考慮接頭的使用工況條件。前日本學者新賽夫曾言，如今造成電廠和原子能設備中鐵素體鋼和奧氏體鋼異種鋼接頭損壞的最大的一個因素就是異種鋼接頭熔合區(qū)塑性下降[1]。上個世紀也有一些學者認為，如果12Cr1MoV和1Cr18Ni9Ti的接頭在高溫下長時間工作，其熱強度就無法保證。然而，無論情況如何，我們都認為異種鋼接頭中的碳遷移現(xiàn)象并不好，應采取措施加以抑制。

2.2 焊接接頭的腐蝕問題

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

奧氏體不銹鋼焊接接頭晶間腐蝕的作用機理與貧鉻理論相符。通常在退火過程中對不銹鋼進行焊接操作，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，結構穩(wěn)固，具有良好的耐腐蝕性能。當焊接溫度超過950℃之時，碳、氮的化合物將會在鐵素體相中慢慢溶解，從而獲得碳、氮過飽和固溶體。因為碳、氮元素在鐵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濃度高，導致晶界中沉淀出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元素濃度的下降，會產(chǎn)生馬氏體組織，就會出現(xiàn)材料韌性下降即淬硬性的情況。碳遷移會導致熔合兩側出現(xiàn)滲碳層，無疑會導致接頭的淬硬性提高。而接頭的脆性傾向會因為碳遷移造成的淬火脆性和脆性的共同作用而變得越發(fā)嚴重。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。相對于填充金屬選擇不當?shù)暮蠊?，適合的選擇也有很多好處，比如可以降低其對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，對韌性影響不大。

3 耐熱異種鋼焊接技術在火電廠中的應用

3.1 焊接材料選擇

進行異種鋼焊接的環(huán)節(jié)，采用適當?shù)暮附硬牧鲜瞧渲械年P鍵。焊接接頭化學組成主要由填充金屬提供，比如，將不銹鋼與碳鋼進行焊接，要充分考慮二者的組織結構、化學作用和應力的散布、碳的分散等因素的作用，尤其要關注焊絲、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規(guī)程》中確定了高匹配選擇，比如說

12Cr1MoV+1Cr18Ni9Ti異種鋼接頭，就明確說明在使用工況不超過425℃時選用Cr、Ni含量較奧氏體側母材高的奧氏體焊材，在使用工況超過425℃時選用鎳基焊材。同時還規(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時低匹配選用R407焊條，就得出了性能最好的結論[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構件焊接，最佳的焊接接頭坡口原則是：壁厚<3mm的焊縫厚度不開坡口，能夠直接進行焊接操作，運用單面焊透的方法;壁厚為4～6mm的焊縫在具備雙面焊接條件時也可以不開擇坡口，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當遵循在便于操作、保證焊接質量的前提下，盡量減少填充金屬量，以減少焊接應力和變形。

普遍的觀點認為，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，當進行異種鋼焊接操作中通常會使用較高的預熱溫度（對預熱溫度需求較高一側母材的預熱溫度）。當一側為奧氏體不銹鋼時可以只對非奧氏體側母材進行預熱，焊接層間溫度應控制在150℃以下。在焊接方式的選擇上，對于厚度不大于8mm的火電廠受熱面管子建議采用具有焊接應力低、熱影響區(qū)不大、焊接能量密集、內部缺陷少、操作簡易等優(yōu)點的氬弧焊接方式，可以有效的減少氫在金屬液中的含量，防止延遲裂紋等問題的發(fā)生。

3.3 關于焊后熱處理

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

對于鐵素體+鐵素體類異種鋼，應進行焊后熱處理，熱處理溫度上限不能超過兩側母材及選用的焊接材料的Ac1，恒溫時間可以執(zhí)行對恒溫時間要求較長側母材的恒溫時間。

4 結束語

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)不斷的分析和實踐應用，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題。

參考文獻：

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

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

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