東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司 四川德陽 618000

1 序言

采用堆焊過渡一直是解決異種金屬接頭焊接難題的最主要工藝手段，但此工藝主要用于小管焊接、鋼板焊接等小型結(jié)構(gòu)，堆焊方法以鎢極氬弧焊和焊條電弧焊為主。

隨著石化燃料的枯竭以及國際社會對電廠排放限制的增強，目前能源行業(yè)正在向兩個方向發(fā)展，一是傳統(tǒng)火電行業(yè)向高參數(shù)、大容量、低污染及低排放方向發(fā)展；二是清潔能源行業(yè)向高參數(shù)、大容量方向發(fā)展，于是二次再熱火電機(jī)組和超高參數(shù)核電機(jī)組逐漸成為目前各大能源企業(yè)和電站設(shè)備廠家研制的重點。在這些能源設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計中產(chǎn)生了大量的異種金屬筒體對接，但傳統(tǒng)的手工堆焊過渡層的方式已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)需求。因此本文分別以0#輔機(jī)中的SA-336F91鋼筒身與13MnNiMo5-4鋼筒身環(huán)縫、核電蒸發(fā)器中的S32168鋼筒身與20MnNiMoⅣ鍛件管板環(huán)縫為例，對帶極堆焊在異種金屬接頭中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，探討帶極堆焊在異種金屬接頭中應(yīng)用的可行性。

2 母材性能

（1）SA-336F91鋼與13MnNiMo5-4鋼主要性能 SA-336F91為馬氏體鋼，顯微組織為回火索氏體，供貨狀態(tài)為正火+回火，具有良好的常溫力學(xué)性能及高溫力學(xué)性能，管材形式的S A-336F91鋼被廣泛用于高參數(shù)鍋爐受熱面。S A-336F91鋼在焊接時具有淬硬傾向，冷裂紋敏感性強；但因其又含C、Nb等元素而具有一定的熱裂紋傾向。SA-336F91鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1、表2。

13MnNiMo5-4為珠光體鋼，顯微組織為回火索氏體+上貝氏體，供貨狀態(tài)為正火+回火，其冷裂紋敏感性和熱裂紋敏感性均低于SA-336F91鋼，焊接工藝性相對較好。13MnNiMo5-4鋼化學(xué)成分及力學(xué)性能見表3、表4。

ASME規(guī)定，SA-336F91鋼焊后熱處理溫度最低為705℃[1]。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求并結(jié)合材料本身特性，13MnNiMo5-4鋼焊后熱處理溫度為600～650℃。但由于該材料回火溫度通常為650℃左右，所以13MnNiMo5-4鋼最佳焊后熱處理溫度為600～620℃。兩種材質(zhì)焊后熱處理溫度差異過大，無重疊區(qū)間，按照常規(guī)手段，熱處理溫度需按照較高的執(zhí)行，這將導(dǎo)致13MnNiMo5-4鋼強度大幅下降。

表1 SA-336F91鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 SA-336F91鋼力學(xué)性能（室溫）

表3 13MnNiMo5-4鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 13MnNiMo5-4鋼力學(xué)性能（沖擊環(huán)境溫度為0℃，其余室溫）

（2）S32168鋼與20MnNiMoⅣ鋼主要性能 S32168為含鈦型奧氏體不銹鋼，供貨狀態(tài)為固溶處理，由于其是在304不銹鋼的基礎(chǔ)上增加了Ti元素，所以耐腐蝕性能優(yōu)良，焊接工藝性較好。S32168鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表5。

20MnNiMoⅣ為珠光體鋼，顯微組織為回火索氏體+上貝氏體+鐵素體，供貨狀態(tài)為淬火+回火。其大量應(yīng)用在核電一回路設(shè)備，具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。但是由于該鋼種碳當(dāng)量較高，具有較大的淬硬傾向，裂紋敏感性強，所以對焊接工藝要求較高。20MnNiMoⅣ鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表6、表7。

S32168鋼與20MnNiMoⅣ鍛件之間的焊接屬于典型的異種金屬間的焊接，若直接進(jìn)行對接焊接，焊接操作難度大，焊接殘余應(yīng)力大，運行中接頭易發(fā)生蠕變破壞。

表5 S32168鋼化學(xué)成分及力學(xué)性能

表6 20MnNiMoⅣ鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表7 20MnNiMoⅣ鋼力學(xué)性能（沖擊環(huán)境溫度為－20℃，其余室溫）

3 焊接工藝

對于異種鋼對接，行業(yè)內(nèi)通常有兩種方法：一種為直接采用合適的焊材焊接成形，例如奧氏體不銹鋼+低合金鋼的異種鋼對接，大部分情況下可直接采用鎳基焊材或不銹鋼焊材焊接完成；第二種是在其中一側(cè)母材堆焊隔離層，最終實現(xiàn)隔離層與另外一種母材的焊接，此種情況主要針對焊接應(yīng)力較大或運行工況比較惡劣的接頭。

由于SA-336F91鋼+13MnNiMo5-4鋼之間的焊接難點是如何保證焊后熱處理的接頭性能，故第一種方法不適用于該接頭。若采用第二種方法，只能在SA-336F91側(cè)先堆焊隔離層，然后將隔離層和SA-336F91鋼一起進(jìn)行730℃以上的消應(yīng)力熱處理，最后再焊接隔離層和13MnNiMo5-4鋼，并進(jìn)行620℃左右的消應(yīng)力熱處理。這就要求該隔離層在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)既不需要熱處理或熱處理溫度較低（620℃左右），又能經(jīng)受730℃左右的熱處理而力學(xué)性能仍可滿足要求，滿足此條件的隔離層只能是奧氏體不銹鋼或鎳基合金。若采用奧氏體不銹鋼或鎳基合金過渡，不僅13MnNiMo5-4鋼直接焊接難度和工作量非常大，而且焊接殘余應(yīng)力也較大，故焊接質(zhì)量很難保證。為此在項目執(zhí)行過程中，我公司提出了一種新的焊接和熱處理方案，即在SA-336F91鋼和13MnNiMo5-4鋼兩種材料的坡口側(cè)分別堆焊隔離層，堆焊后按照各自的熱處理工藝進(jìn)行熱處理，然后再焊接兩側(cè)隔離層，隔離層與基材之間的焊接質(zhì)量靠堆焊工藝保證，隔離層之間的環(huán)縫為同種材料焊接，這樣使焊接難度大大降低。采用此方案，既解決了熱處理問題，也解決了焊接難度大的問題[2]。

S32168鋼與20MnNiMoⅣ鋼之間的焊接可直接采用第二種方法，即先在20MnNiMoⅣ側(cè)堆焊347材質(zhì)，經(jīng)620℃左右熱處理后，再將S32168鋼與347堆焊層焊接。

（1）SA-336F91鋼筒體與13MnNiMo5-4鋼筒體環(huán)縫焊接工藝 其流程如下。

1）在SA-336F91鋼筒身端部堆焊EQNiCrMo-3焊帶，堆焊厚度＞35mm，然后粗車堆焊層，對堆焊層進(jìn)行PT、UT檢測。檢測合格后將SA-336F91鋼筒身與堆焊層一起進(jìn)行760℃的焊后熱處理。最后精加工堆焊層，并在堆焊層上機(jī)加工環(huán)縫坡口。

2）在13MnNiMo5-4 鋼筒體端部堆焊EQNiCrMo-3焊帶，堆焊厚度＞35mm，然后粗車堆焊層，對堆焊層進(jìn)行PT、UT檢測。檢測合格后將13MnNiMo5-4鋼筒體與堆焊層一起進(jìn)行620℃的焊后熱處理。最后精加工堆焊層，并在堆焊層上機(jī)加工環(huán)縫坡口。

3）環(huán)縫為鎳基堆焊層之間的對接，可采用熱絲TIG焊或手工焊。為提高焊接效率，可采用埋弧焊+焊條電弧焊焊接，焊絲為ERNiCrMo-3，焊條為ENiCrMo-3。焊后對環(huán)縫及環(huán)縫兩側(cè)的堆焊層一起進(jìn)行100%的PT和RT檢測。最終接頭形式如圖1所示。

圖1 SA-336F91+13MnNiMo5-4接頭結(jié)構(gòu)

（2）S32168鋼筒體與20MnNiMoⅣ鋼管板環(huán)縫焊接工藝 其流程如下。

1）在20MnNiMoⅣ管板端部堆焊EQ347焊帶，堆焊厚度＞35mm，然后粗車堆焊層，對堆焊層進(jìn)行PT、UT檢測。檢測合格后將20MnNiMoⅣ鋼管板與堆焊層一起進(jìn)行620℃的焊后熱處理。最后精加工堆焊層，并在堆焊層上機(jī)加環(huán)縫坡口。

2）采用埋弧焊或焊條電弧焊焊接S32168鋼與347鋼環(huán)縫，焊絲ER347，焊條E347-15。焊后對環(huán)縫及環(huán)縫兩側(cè)的堆焊層一起進(jìn)行100%的PT和RT檢測。

4 力學(xué)性能評定

（1）SA-336F91鋼與13MnNiMo5-4鋼接頭評定評定采用SA-336F91鋼試板和13MnNiMo5-4鋼試板各一塊，試板規(guī)格均為500mm×160mm×60mm。

1）在兩塊試板的60mm厚度側(cè)分別進(jìn)行帶極埋弧堆焊鎳基材料，堆焊厚度35mm，焊帶EQNiCrMo-3，焊劑GXN-S600。13MnNiMo5-4鋼側(cè)焊前預(yù)熱100～150℃，SA-336F91鋼側(cè)焊前預(yù)熱200～250℃，焊接過程中層溫控制在200～260℃。

2）將堆焊好的試板進(jìn)行PT、UT檢測，UT檢測采用自制檢測對比試塊的方法，試板均一次檢測合格，然后分別進(jìn)行620℃×2h和760℃×7h的消應(yīng)力熱處理。

3）在兩塊試板的堆焊層上分別加工窄間隙坡口，并將兩塊試板采用焊條電弧焊+埋弧焊焊接，焊條ENiCrMo-3、φ4.0mm，焊絲ERNiCrMo-3、φ2.4mm，焊劑GXN-600，焊接過程中層溫控制要＜260℃。

4）對整個接頭進(jìn)行RT、UT及PT檢測，一次檢測合格，然后對試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗。其中接頭拉伸2組，側(cè)彎12個，兩側(cè)熱影響區(qū)沖擊各1組，各區(qū)域硬度檢測42點。側(cè)彎試樣的彎曲中心依次為13MnNiMo5-4鋼側(cè)堆焊層中心、埋弧焊焊縫中心、SA-336F91鋼側(cè)堆焊層中心，側(cè)彎試驗全部無開口缺陷。其余力學(xué)性能檢測結(jié)果見表8～表10。

由以上試驗結(jié)果可以看出，試驗結(jié)果滿足現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)要求，但部分區(qū)域整體硬度偏高，這與采用的堆焊層材料和焊接參數(shù)有關(guān)，可通過采用強度更低的EQNiCr-3鎳基焊材和控制焊接熱輸入方法來控制[3]。

表8 拉伸試驗結(jié)果

表9 沖擊試驗結(jié)果

表10 HV10（室溫）硬度試驗結(jié)果 （HV）

（2）S32168鋼與20MnNiMoⅣ鋼接頭評定 評定采用S32168鋼試板和20MnNiMoⅣ鋼試板各一塊，試板規(guī)格均為500mm×160mm×40mm。

1）在20MnNiMoⅣ鋼試板的40mm厚度側(cè)進(jìn)行帶極埋弧堆焊不銹鋼材料，堆焊厚度40mm，第一層堆焊焊帶EQ309L，焊劑SMJ34，剩余層堆焊焊帶EQ347，焊劑SMJ34。第一層焊前預(yù)熱100～150℃，焊接過程中層溫控制在200～260℃。

2）將堆焊好的試板進(jìn)行PT、UT檢測，結(jié)果合格，然后進(jìn)行620℃×5h的消應(yīng)力熱處理。

3）在兩塊試板的堆焊層上分別加工窄間隙坡口，并將兩塊試板采用焊條電弧焊焊接，焊條A137R，φ4.0mm，焊接過程中層溫控制要＜260℃。

4）對整個接頭進(jìn)行RT、UT及PT檢測，結(jié)果合格，然后對試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗。其中接頭拉伸2組，側(cè)彎8個，20MnNiMoⅣ側(cè)熱影響區(qū)沖擊1組，各區(qū)域硬度檢測36點。側(cè)彎試樣的彎曲中心依次為20MnNiMoⅣ鋼側(cè)堆焊層中心、焊條電弧焊焊縫中心，側(cè)彎試驗全部無開口缺陷。其余力學(xué)性能檢測結(jié)果見表11～表13。

表11 拉伸試驗結(jié)果

表12 沖擊試驗結(jié)果

表13 HV10（室溫）硬度試驗結(jié)果 （HV）

5 結(jié)束語

以上兩種方案均在具體產(chǎn)品中進(jìn)行了應(yīng)用，至今運行均已超過4年，焊接接頭均未發(fā)生失效狀況，故可以得出以下結(jié)論。

1）采用堆焊鎳基隔離層的方法，可以解決兩種材料熱處理溫度差異較大焊接和熱處理問題。

2）采用堆焊奧氏體不銹鋼隔離層的方法，可以解決低合金鋼與奧氏體不銹鋼兩種材料的焊接問題。

3）帶極埋弧堆焊方法可以應(yīng)用于隔離層焊接，且接頭力學(xué)性能可滿足標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品運行要求。