新型奥氏体耐热钢HR3C焊接工艺及接头性能研究进展

2020-09-10张骏

电焊机 2020年3期

关键词：焊接

张骏

摘要：新型奥氏体耐热钢HR3C研发的焊材有配套焊材YT-HR3C和替代Ni基焊材（ERNiCrCoMo-1、ERNiCr-3和ERNiCrMo-3等），为了防止焊接过程中产生热裂纹，需要严格控制焊接工艺，重点是控制层间温度小于等于100 ℃。在不同温度下随着时效时间的进行，焊接接头的焊缝组织未发生变化，为单一奥氏体组织（γ相），而析出相Cr23C6、CrFe7C0.45、（Cr，Fe）7C3、CrNbN和富Cu相的数量、形态和分布发生变化，其中Cr23C6的大量析出导致接头冲击功急剧下降，表现出时效脆化现象。针对HR3C的焊材、焊接工艺和焊接接头性能的研究进展进行综述。

关键词：奥氏体耐热钢;HR3C;焊接;时效脆化

中图分类号：TG457.1文献标志码：A文章编号：1001-2303（2020）03-0075-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.14

0 前言

近年来，随着火电机组对于高效率、清洁环保的要求，火电超超临界机组的参数不断提高，机组参数的提高是以材料相匹配的性能为基础的，锅炉高温过热器和再热器所处的温度最高，环境最复杂，需要材料具有良好的高温蠕变性能、抗蒸汽氧化性和抗烟气腐蚀性等，在国产1 000 MW机组建设时，新型奥氏体耐热钢HR3C被广泛应用于锅炉的高温过热器和再热器受热面管。HR3C（ASME牌号：SA213-TP310NbN，JIS牌号：SUS310JITB）是由日本住友公司在TP310的基础上通过严格限制C含量，复合添加Nb、N元素，利用析出细小、弥散分布的MX、CrNbN以及M23C6三种相进行复合强化，得到一种具有优良的高温力学性能、抗蒸汽氧化性和抗高温腐蚀性能的新型奥氏体耐热钢[1-2]，主要应用于620 ℃超超临界机组锅炉高温过热器和再热器[3-4]。随着HR3C材料使用时间的增长，目前关注以及研究较多的是其析出相变化引起的时效脆化问题[5-8]，而对于该材料的焊接工艺和焊接性能研究相对较少。

HR3C是25Cr-20Ni-Nb-N钢，合金元素含量较高，从材料焊接性的角度考虑，根据国际焊接学会推荐的碳当量计算公式CE={w（C）+w（Mn）/6+[w（Cr）+w（Mo）+w（V）]/5+[w（Ni）+w（Cu）]/15}×100%，HR3C的碳当量CE>0.6%，焊接性较差，焊接时工艺不当容易产生气孔、未熔合、未焊透等缺陷，但这些缺陷可以通过严格控制焊接工艺来避免。同时HR3C由于裂纹敏感性高于其他奥氏体耐热钢，在焊接时容易产生的热裂纹、应力腐蚀开裂、焊接接头的时效脆化和σ相脆化等缺陷[9-11]，其中热裂纹的主要形式有：结晶裂纹、高温液化裂纹和高温脆性裂纹。控制热裂纹的产生需要开发杂质含量较低的焊材，并匹配合适的电流、电压、焊接速度和控制层间温度[10]。Cr-Ni奥氏体钢容易发生应力腐蚀的温度范围为：50～300 ℃，防止发生应力腐蚀需要防止焊接后到锅炉升温运行期间在此温度区间的停留;由于HR3C本身的时效脆化倾向明显，为防止接头发生σ相脆化尽量选择和母材成分相近的焊材或镍基合金焊材作为填充金属。目前已有相关HR3C焊材、焊接工艺和焊接接头的性能一些研究，本文在此进行综述。

1 HR3C焊材研究进展

由于HR3C钢裂纹敏感性高，焊接时容易产生缺陷，选择合适的焊材和焊接工艺是减少其焊接缺陷的有效途径。根据焊材选择的一般原则——与母材成分匹配、性能相当，HR3C匹配的焊接材料由日本住友公司开发，为YT-HR3C焊丝[12-13]，然而因配套进口焊材数量少、价钱贵、难购买，目前研究开发出的替代Ni基焊丝主要有：ERNiCrCoMo-1[14-17]、ERNiCr-3[18-19]和ERNiCrMo-3[18-20]三种，HR3C母材及各焊材的化学成分如表1所示。YT-HR3C焊丝为配套焊材，成分与HR3C最为接近，焊接电流、电压和焊接速度也最小，能较好地控制焊缝质量，避免缺陷产生。开发替代的Ni基焊材严格控制有害物质S、P、C等的含量，添加Co元素提高高温强度，添加Mo元素提高焊接接头的蠕变断裂强度。从组织成分上，Ni基焊材与HR3C为异种钢焊接，然而Fe和Ni属于元素周期表中同一周期和同一族内，其结晶性能很接近，能无限互溶，在高温下能形成金属间化合物，因此铁基合金与镍基焊材异种钢焊接时焊接性较好，通过实践验证，选择Ni基焊材，选取合适的焊接参数，严格控制焊接工艺，焊接接头的性能均符合标准要求，同时Ni基焊材价格较配套的YT-HR3C焊材便宜，便于购买及工程实践，目前大部分HR3C钢采用替代Ni基焊材焊接，焊接接头质量运行情况良好。但是Ni基焊材焊接时，合金熔液流动性差，易产生未焊透、气孔和收弧裂纹等缺陷，同时σ相和N化物的析出会产生焊接接头脆化、晶间腐蚀和裂纹等缺陷，影响焊接接头的使用寿命[15]。根据试验结果统计得出，采用ERNiCr-3焊接时，焊接接头常断于焊缝金属;采用ERNiCrCoMo-1和ERNiCrMo-3焊接时，焊接接头常断于母材;因此推荐使用ERNiCrMo-3和ERNiCrCoMo-1焊材。

2 HR3C焊接工藝研究进展

HR3C匹配不同焊材的焊接工艺参数统计如表2所示，焊接时要严格按照焊接工艺执行。焊前提前模拟练习，检查坡口、确认清理干净，必要时用丙酮清洗坡口;焊接时采取纯度大于等于99.95%的氩气进行气体保护，焊接管子根部氩气保护气室要足够大，长度最好在500 cm以上，管子焊接时采用背部保护，防止焊接接头氧化;采用Ni基焊材焊接时，由于Ni基焊材合金熔液的流动性较差，焊接时需要选取较大的焊接电流以保持焊池中合金熔液具有良好的流动性，采用大电流多层窄道快速焊接，尽可能减小焊接线能量;严格控制层间温不高于100 ℃，配备红外线测温枪密切监测层间温度，每层焊材填充厚度不大于3 mm，以减少焊缝的热输入量，避免产生热裂纹，由于手工钨极氩弧焊（GTAW）具有较低的焊接热输入，可以将层间温度控制在较低水平，能够满足HR3C钢的焊接工艺要求，因此，大部分焊接均采用手工钨极氩弧焊;通过点固间隙设置，采用大间隙内加丝法，送丝采用多送少停，保证焊缝根部的焊透;增加焊前的反变形措施，控制焊接变形;焊接过程中尽量减少熄弧，应在坡口内引弧和熄弧，熄弧时注意填满弧坑。

3 HR3C焊接接头性能研究进展

利用不同焊材焊接的HR3C接头力学性能评定结果如表3所示，匹配焊材和替代焊材的接头力学性能均满足工艺评定标准要求。我国超超临界机组起步较晚，对于HR3C使用也较晚，随着对材料使用时间的增长，HR3C母材时效脆化问题逐渐认识清楚，然而关于焊接接头的服役性能研究尚少。张文忠[21-22]对焊材为YT-HR3C的焊接接头性能进行了研究，发现基体组织为单一的奥氏体组织，热影响区组织为晶粒有所长大的单一奥氏体组织，焊缝组织为典型的胞状或脓胞状树枝晶，析出相主要为Cr23C6、CrFe7C0.45、（Cr，Fe）7C3、CrNbN和富Cu相，焊缝组织中的析出相数量多，形态较大，多沿胞状晶界呈断续分布或短条状分布，细小的颗粒状析出物较少，强化效果不如基体，使得焊缝的强度、硬度值和冲击值均低于母材和热影响区，晶界上大量Cr23C6相的析出降低了焊缝的冲击韧性，同时增加了晶界的沿晶腐蝕性。

张忠文等[22-23]对焊材为YT-HR3C的焊接接头在650 ℃下不同时效时间后接头的组织、析出相和力学性能进行了研究，HR3C接头经时效后，焊缝组织未发生明显变化，仍为树枝状、胞状单一奥氏体相（γ相），析出相的种类与焊态基本一致，然而析出相的数量、分布和形态随着时效时间的增长发生了明显变化。650 ℃时效100 h后，M23C6优先在γ晶界和焊缝胞状枝晶界上析出，形态为条状和细小颗粒状，冲击功降幅达70%;650 ℃时效300 h后，M23C6逐渐增多，原有M23C6长大并沿晶界连续分布，冲击功降低到最低值;650 ℃时效500 h后，晶界周围和晶内也析出M23C6，其他相有少量析出，尺寸相对较小，冲击功降低到最低值后保持稳定;650 ℃时效7 000 h后，沿晶界连续析出串珠状M23C6，晶内析出较大的球状、块状M23C6，晶界附近有少量的块状G相和σ相，焊缝基体中弥散分布细小球状或短棒状Z相，冲击功在时效1 000 h后由120 J降低到13 J，随后基本保持稳定，随时效时间的增长，抗拉强度和硬度均先增大、随后略微减小后保持稳定不变。张学鹏等[24]对焊材为ERNiCr-3的焊接接头进行了700 ℃的时效研究，得出随着时效的进行，金相组织未发生变化，为树枝状、胞状单一奥氏体相（γ相）。时效300 h后，枝晶偏析处有少量颗粒状化合物，柱状晶晶界处有细小不连续的化合物析出，时效10 000 h后，枝晶可见保持一定位向的针状析出物，焊缝和热影响区的冲击功均随着时效时间的增加而降低，超过3 000 h后，焊缝的冲击功稳定在100 J，超过1 000 h，热影响区冲击低于31 J，时效后接头拉伸结果合格，且母材抗拉强度值均高于焊缝，3 000 h后，弯曲试验合格;10 000 h后弯曲试验发生脆断，3 000 h以内时效时间，母材、焊缝和热影响区的硬度变化不大，10 000 h后其硬度均有所提高，且母材和热影响区的硬度明显高于焊缝。杜宝帅[25]对605 ℃下服役4.2万h的HR3C焊接接头进行了性能试验，接头运行4.2万h后，组织同样未发生变化，为树枝状、胞状γ相，焊缝树枝状和胞状晶界上析出大量条状和块状M23C6相，晶粒内部析出小尺寸M23C6相，接头发生明显的时效脆化，接头塑韧性显著降低。张忠文[26]对HR3C焊接接头在700 ℃下的蠕变性能进行研究得出，接头在700 ℃下进行高温持久，焊缝胞状树枝晶内针状析出相布满整个组织，粗大的析出相M23C6沿奥氏体晶界连续分布，容易形成蠕变裂纹，引起沿晶开裂，同时随着晶内析出M23C6以及其形态的长大，加速了蠕变裂纹的扩展，导致焊缝均呈脆性断裂状态，断裂处均位于焊缝处。李新梅[27-28]等对焊材为YT-HR3C的焊接接头的应力腐蚀行为进行了研究，发现与在空气中相比，HR3C焊接接头在NaCl溶液中的应力腐蚀敏感性显著增大，溶液中的Cl-对接头的应力腐蚀敏感性有较大影响，HR3C接头在弱酸和弱碱的NaCl溶液中都有一定的抗应力腐蚀性，在酸性介质中接头应力腐蚀敏感性稍大，且无论是在NaCl的酸性还是碱性溶液中，随着NaCl浓度的增加，接头的应力腐蚀敏感性呈增大趋势。

综上所述，配套YT-HR3C和替代Ni基焊材焊接的接头，配套焊材接头的抗拉强度略高，但冲击功和延伸率较低，焊接接头进行时效后，与HR3C母材相同，均发生时效脆化现象，主要原因是焊接焊头晶界和晶内附近析出了针状或短棒状σ相、块状G相及M23C6相的网状分布，容易形成沿晶脆性断裂。根据研究结果进一步得到：焊材为YT-HR3C的焊接接头焊态拉伸试验一般断于焊缝，表明焊缝的抗拉强度小于母材和热影响区;时效后断于母材，表明时效后焊缝的抗拉强度大于母材和热影响区，说明在时效过程中，焊缝、热影响区和母材的抗拉强度均先升高后减小再趋于稳定，然而焊缝的抗拉强度值增长高于母材和热影响区，焊接接头的冲击功均降低，但焊缝的冲击功降低幅度最大，低于母材和热影响区，焊缝的冲击功最小。替代Ni基焊材焊接接头焊态拉伸试验一般断于母材，表明焊缝的抗拉强度大于母材和热影响区;时效后断于焊缝，表明时效后焊缝的抗拉强度小于母材和热影响区，说明在时效过程中，焊缝、影响区和母材的抗拉强度同样先升高后减小再趋于稳定，然而焊缝的抗拉强度增长小于母材和热影响区，焊接接头的冲击功均降低，但热影响区冲击功降低幅度大于焊缝，热影响区的冲击功最小。因此，YT-HR3C焊材和替代Ni焊材焊接接头在时效前后焊缝、母材和热影响区的组织、析出相和力学性能的变化规律仍未完全清楚，关于焊接接头的高温蠕变性能和应力腐蚀行为研究甚少，这些方面的工作仍需要进一步研究。

4 结论

（1）目前研发出的HR3C焊接材料有配套YT-HR3C和替代Ni基焊材（ERCrNi-3、ERNiCrMo-3和ERNiCrCoMo-1），焊接后接头力学性均能符合标准要求，能满足工程实际需要。

（2）在焊接过程中要严格按照针对HR3C不同焊材开发出的相应焊接工艺执行，最关键的是控制焊接过程中的层间温度小于等于100 ℃，以防止焊接过程中产生热裂纹。

（3）HR3C焊接接头由于M23C6相的大量析出，同样有时效脆化现象，随着服役时间的增长，接头的冲击功下降显著，因此对于不同焊接接头的组织、析出相和力学性能的变化规律仍需进一步深入研究，进而能提出防止焊接接头发生时效脆化的方法和措施。

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