新型奥氏体耐热钢与马氏体耐热钢焊接工艺研究

戚华山

上海电力安装第一工程公司上海200090

摘要：SA213-TP310HCbN/SA213-T92异种钢之间因其成分、组织和性能上的差别大，加上填充金属又与两者不同，会产生与焊接同种金属所不同的一系列新问题。按照《火力发电厂焊接技术规程》（DL/T869-2012）等标准和国内外经验，通过对比试验，确定新型奥氏体耐热钢与马氏体耐热钢采用焊接工艺参数与技术措施及采用镍基焊材、焊前在马氏体钢侧预热、焊后采取焊后热处理工艺能大大提高焊接接头的力学性能，特别是韧性和塑性，避免焊接接头在马氏体钢侧断裂。

关键词：奥氏体耐热钢马氏体耐热钢焊接研究

一、前言

江苏南通电厂2×1050MW超超临界燃煤机组的三级过热器出口连接管（材质为SA213-TP310HCbN）与集箱管（材质为SA213-T92）的接头属于异种钢焊接。由于高铬镍奥氏体钢不锈钢与高合金马氏体耐热钢在成分、组织和性能上的差别很大，造成焊接异种钢会遇到一些特有的问题，焊接接头的使用性能较差，并且一些已运行的发电机组中，已出现这类焊接接头早期失效的现象。

现行《火力发电厂焊接技术规程》（DL/T869-2012）和旧版标准（DL/T869-2004），焊接工艺参数在热处理工艺要求完全不同，会影响焊接接头的性能。我公司按照标准（DL/T869-2012）、实际经验和两侧母材的特性，进行了采用两种不同的焊接工艺焊接试验，即在采用了镍基焊材，小线能量，一定的预热温度，控制层间温度，焊缝背面充气保护的焊接工艺参数后，在焊后不进行热处理和增加焊后热处理的工艺（恰当的热处理参数），焊接试件，通过对比试验得到的数据，得出结论：增加焊后热处理，恰当的热处理参数，提高了焊接接头的力学性能，特别是冲击韧性，能避免过早失效。

二、主要用途

通过对比性试验，确定了正确的焊接工艺，运用于江苏南通电厂2×1050MW超超临界燃煤机组的三级过热器出口连接管（材质为SA213-TP310HCbN）与集箱管（材质为SA213-T92）的焊接。

三、技术原理

1材料分析：

1.1高铬镍奥氏体钢不锈钢

高铬镍奥氏体钢不锈钢SA213-TP310HCbN（HR3C），与普通的SA-213TP310H钢化学成分区别仅在于添加了0.20～0.60%的Nb和0.15～0.35%的N，但新钢种的高温性能却大大提高。是因为钢时效过程中析出的非常细小且特别稳定NbCrN和微量N能抑制σ相的形成，使HR3C的蠕变断裂强度、韧性、高温抗腐蚀性能和许用应力等方面大大提高。

1.2高合金马氏体耐热钢

SA213T92钢是在T91材料基础上经过以下改良而发展起来的：在原9Cr-1Mo马氏体钢中加入含量为1.8%的W，减少Mo的含量至0.5%以调整马氏体—奥氏体元素之间的平衡，并且加入微量合金元素N、B和Ni，使T92钢具有比T91钢更好的高温强度和高温蠕变断裂强度。

2焊接接头问题

2.1焊接SA213-TP310HCbN（HR3C）钢的接头问题

2.1.1焊接裂纹

焊接Cr、Ni纯奥氏体钢容易出现焊接高温裂纹，裂纹与材料中的Ni、C、Si、Nb、S、P等元素的含量有关，它们会明显提高形成裂纹的敏感性。其中Ni、Nb是必需按量加入的，其它元素C、Si、S、P的含量要严格控制和控制，这个原则成为选择和设计熔敷金属成分的准则。

2.1.2接头抗腐蚀性能的降低

在燃煤电站条件下，Cr-Ni奥氏体钢的应力腐蚀发生在含有Cl-的介质中，而且介质温度愈高愈容易发生应力腐蚀破裂。Cr-Ni奥氏体钢最容易发生应力腐蚀的温度范围是50~300℃，因此需要防止焊接接头以后到锅炉升温运行这段时间发生的应力腐蚀。

2.1.3接头的脆化

Cr-Ni纯奥氏体钢在固溶状态下具有优良的塑性。但材料在锅炉部件高温运行过程中，众多提高其高温蠕变强度的沉淀强化元素逐渐以碳化物、氮化物或金属间化合物形式弥散析出，它们在强化材料的同时，明显降低材料的塑性和韧性。HR3C钢在550-750℃和600-800℃下时效以后脆化倾向明显，再也容不得发生σ相脆化。焊缝金属也会有这种时效脆化的倾向，焊接时焊接材料必须选择正确，以避免σ相脆化的危险。

2.2焊接T92钢的接头问题

2.2.1焊接冷裂纹

由于T92钢的C、S、P等元素含量低、纯净度高，其焊态低C马氏体仍具有一定的塑性，焊接冷裂纹倾向大为降低。但是，它们终久还是有一定的焊接冷裂纹倾向的，因此焊接时必须相应地采取一些预防措施，如需要一定的预热及层间温度等，根据《火力发电厂焊接技术规程》（DL/T869-2012）及我们安装单位的实践经验，预热及层间温度宜控制在200~250℃范围内，钨极氩弧打底时可适当降低至150~200℃。

2.2.2焊缝韧性

与母材不同，焊缝金属在其熔敷成型及冷却过程中，不可能取得控制轧制和形变热处理的机会，其中的Nb和V元素也不具备形成碳（氮）化合物以极细微颗粒弥散析出以促使焊缝晶粒细化的条件，大部分仍固溶在焊缝金属中，通过固溶强化反而降低焊缝韧性。因此，焊缝金属的冲击韧性总是低于母材的。

2.3焊接HR3C/T92异种钢的接头问题

异种金属之间因为成分和组织、性能上的差别很大，所以焊接异种钢会遇到一些特有的问题：

2.3.1焊缝金属的稀释

当选择合金元素含量较高的Cr、Ni焊接材料作为填充金属，由于T92钢合金元素含量较少，熔化的马氏体母材对焊缝金属中合金元素的含量具有冲淡作用，即稀释作用，使焊缝中奥氏体形成元素含量减少，结果焊缝金属中可能会出现马氏体组织，焊缝成分、组织和性能达不到理想要求，从而恶化接头质量，严重时可能出现裂纹。控制熔合比和选择焊接材料成为关键。

2.3.2靠近熔合线的焊缝金属出现过渡层

当选择合金元素含量较高的Cr、Ni焊接材料作为填充金属，熔化的马氏体母材和填充材料成分相差悬殊，又不能充分混合，越靠近熔合线，马氏体钢母材成分所占比例越大，也被稀释的越严重，这部分被稀释的焊缝金属即过渡层，为马氏体组织。它的存在可能影响接头的整体性能，降低焊接接头的韧性。在通常的焊条电弧焊情况下这个过渡层的厚度在100μ左右，其成分沿着它的厚度是变化的，限制这个过渡层的宽度并控制它的成分和组织，就成为焊接异种钢所要解决的特有问题。

2.3.3增碳层和脱碳层的形成

由于熔合线两侧存在悬殊的成分差别，促使碳元素在焊后热处理或随后的加热过程中不断地从低合金（T92钢）侧向奥氏体不锈钢焊缝扩散迁移，使靠近熔合线低合金侧脱碳，出现脱碳层而软化，在奥氏体不锈钢焊缝侧增碳，形成增碳层而硬化，是异种钢焊接接头的薄弱环节，引起应力集中，降低接头高温持久强度和塑性。

2.3.4焊接应力与焊接变形的产生

成分和组织不同的母材，其物理性能也大不同。奥氏体钢和焊缝金属的线膨张系数比马氏体耐热钢大30%左右，温度变化时母材和焊缝线膨长系数不一致会产生的热应力，而导热率只有1/2左右。因此在焊接时，受到迅速冷却和加热，必然产生很大的热应力和变形，比同种钢焊接时大。

3解决方案

3.1焊接材料的选择

焊接异种钢时必须认真地选取填充金属材料，得到的焊缝性能满足接头基本性能的要求。首先选取填充金属材料应含Ni量高，减少C从马氏体钢侧渗入焊缝，使过渡层尽量窄小，避免在过渡层内出现高碳马氏体等不利组织，其次焊接材料的强度不低于两侧母材中较低的一种，其线膨胀系数应介于两种母材线膨胀系数之间，能提供最佳的长期的蠕变强度和塑性，以及具有良好的焊接性。根据标准和国内外统计运行焊口数据表明用奥氏体填充金属的接头早期失效的概率比镍基材料的高，而且开始发生失效的时间早，因此熔敷金属的选择一般采用镍基焊材。

3.2焊接方法选择

焊接方法选择的着眼点是应该尽量减小熔合比，特别是要尽量减少马氏体钢的熔化量，以抑制对奥氏体焊缝金属的稀释作用，不熔化极气体保护焊(GTAW)熔合比最小，是焊接异种钢常用的焊接方法。

3.3焊接参数的选择

以前焊接工艺一般不预热，冷却速度过快，结果在马氏体钢侧形成淬硬组织，很容易从熔合线开裂，导致焊接接头早期失效。所以焊接这种类型的异种钢既要克服焊接裂纹，还要避免过大的接头应力以及减小过渡层等问题，焊接时必须相应地采取相应的焊接工艺参数与技术措施。低的焊接热输入，一定的预热温度及控制层间温度，以及确保层间温度低的短焊道和间断焊的操作方法。

3.4焊后热处理的选择

奥氏体钢与马氏体钢异种钢管接头的焊接残余应力是由焊接高温冷却收缩所积累而成的,即可认为是从Ac3(上转变温度)冷却下来积累成的。如果焊态的接头直接在高温下运行，那么接头在工作温度下运行时的应力为：热应力加焊接残余应力。如果焊态接头经过高温回火再运行，虽然残余应力不可能消除，但在700多度的回火保温阶段，通过塑性变形的松弛作用消除了焊接残余应力，冷却以后接头中又出现的应力实际上是回火形成的应力。因为回火形成的应力是从低于Ac1（下转变温度）温度冷却积累形成的，其数值将低于焊接残余应力。因此经过高温回火以后再运行的接头所受的应力是热应力加上比焊接残余应力低的回火残余应力，使焊接应力降低。

奥氏体钢和马氏体钢组成的异种钢焊接接头，经过焊接的快速高温加热，原来弥散分布于基体中的碳化物被焊接的高温加热所固溶并随后形成了马氏体。如果焊后接头不作焊后热处理就运行，那么近缝区就以马氏体状态开始运行。如果接头焊后经过了高温回火，一方面近缝区马氏体得以充分回火，组织晶粒细化，另一面在高温回火状态下析出碳化物，接头就以这种更加稳定的组织开始运行。

上述现象说明：焊态接头若在开始运行以前先经过700℃以上的高温回火，令碳化物尽早析出并令其颗粒变细，然后再于556℃以上温度运行，碳化物可能会较晚出现，从而寿命可能会长些。

四、关键技术和创新点

1焊接材料

采用镍基焊材ERNiCr-3，其化学成分、组织结构和力学性能能满足焊接接头的要求，特别是塑性和韧性，热膨胀系数介于马氏体钢和奥氏体钢之间。

对直径不大管壁不厚的管道焊接，采用了熔池体积小、热输入量较小的焊接方法手工钨极氩弧焊（GTAW），直流正接。

3焊道层次:多层多道焊

4焊前预热

一侧为奥氏体型钢时，对非奥氏体型钢单侧进行预热，且选择较低的预热温度。故在靠近T92侧预热，预热温度100℃-150℃。焊接过程中采用红外测温仪或其他测量器具测量层间温度，层间温度≤150℃。在整个焊接过程中，当焊缝温度高于层间温度时，必须立即停止焊接，待温度恢复正常时继续焊接。

5保护气体

为防止根部焊缝背面产生烧枯和内凹现象，充氩气进行保护，流量为6~10l/Min。充气约1~2Min后，开始焊接。

6施焊技术

采用较小线能量焊接，即小幅摆动、间断的焊接方法，焊层厚度控制在焊丝直径内。

在焊口点固前、每层焊道之间用钢丝刷、角向磨光机等清理干净。

氩弧焊打底前应检查焊口的清洁度，对口间隙为2.5mm-3.2mm之间，点焊固定。然后贴上焊口一半的铝箔纸，应对根部进行充氩气。焊缝根部的加丝方法为内加丝焊法，焊工的视线顺着焊丝透过焊缝的对口间隙进行观察，观察焊口坡口内壁边缘及焊丝的熔化情况，如有内咬边、未焊透、生焊丝等缺陷，应及时改变焊枪的角度及加丝的速度；如还有问题，应将缺陷处的焊缝打磨掉，然后继续施焊。焊口点焊处应打磨掉，以确保内壁焊缝的正常成形。

五、与同类先进成果主要技术指标比对情况

两种不同工艺焊接的试件，焊缝的外表成型均良好，内部无缺陷。但力学性能检验有明显的区别。1拉伸试验：试样试验后，数据均符合合格指标。2.弯曲试验：试样经冷弯试验后，均未出现开裂的缺陷，得出结论：焊后热处理工艺的采用与否对焊接接头的塑性均良好。

3.冲击试验：试样试验后，数据均符合要求。但从两组对比数据中发现，焊后热处理工艺的采用与否对焊缝和HR3C热影响区的冲击韧性区别不大，但经焊后热处理的T92钢热影响区的冲击韧性明显优于不做热处理工艺的，得出结论：经焊后热处理工艺的焊接接头的冲击性能好。4.硬度试验：从两组对比数据中发现，经焊后热处理的焊接接头（焊缝、两侧影响区）的硬度值均符合要求。而不做焊后热处理工艺的焊接接头的焊缝和HR3C侧热影响区的硬度值符合要求，但T92钢侧热影响区的硬度数据明显高于做热处理工艺的，表明经高温回火后熔合线及热影响区硬度明显下降。5.金相检验：焊接接头无裂纹、无过烧组织、无淬硬性的马氏体，结论合格。从金相微观组织照片中，焊后热处理工艺的采取与否，对焊缝和HR3C热影响区侧的影响不明显，但T92热影响区侧经焊后热处理晶粒明显细小，从而提高了韧性与塑性。

六、结论

近2年在百万等级超超临界燃煤机组运行中，一台不进行焊后热处理的这类部分焊口在运行2年后出现裂纹，导致停机检修。另一台经焊后热处理工艺的焊接接头至今未出现缺陷，运行正常。经比较，高铬镍奥氏体耐热钢与高合金马氏体耐热钢焊接在采用镍基焊材、小线能量、一定的预热温度、控制层间温度、焊缝背面充气保护的基础上，增加焊后热处理的焊接工艺，恰当的热处理参数的新工艺，焊接接头的质量得到保证，不会出现早期失效。不但减少机组检修、启动和停运的次数，节约了成本，起到了节能减排效果，而且提高了机组安全运行能力，产生了积极的社会效应。