耐热异种钢焊接技术分析及在火电厂中的应用研讨

李博才

摘  要：耐热异种钢焊接因为金属化学成分各异、构造不同、机械和物理特性差别较大，所以相对于同种钢焊接在技术上要更加繁琐，这更加需要可靠性强的焊接工艺。目前我国及世界范围内的火电厂为了能够提高热效率、降低煤耗不断提高蒸汽参数和机组容量，新材料、新技术大量运用其中，因此火电厂焊接作业的对象、任务和环境产生了翻天覆地的变化。在火电厂众多焊接难题当中，较为常见的一种就是耐热异种钢的焊接工艺了。借助了很多非实际应用的研究结果，不难发现想要妥善解决火电厂耐热异种钢的焊接问题需要正确的焊接材料与焊接工艺，然而这些数据还需进一步探索发现。

关键词：耐热;异种钢;焊接;火电厂

中图分类号：TG457.11 文献标志码：A 文章编号：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

我國工业化进入非常关键的时期，据权威数据显示，2019年中国人均GDP突破1万美元，目前我国发电装机总容量业绩超过20亿千瓦，其中火电装机近12亿千瓦。焊接作为火电厂建设质量和发电设备安全运行的重要基础学科。目前，世界范围内的大型电厂都在向着高参数、高效率、大容量方向前进，很多大型的电厂中都应用了新技术、新材料，大型电厂的焊接工作对象、任务和条件发生了质的变化。因此，大型火电厂专用钢的开发力度不断加大，焊接技术的研究和应用是保证我国电力发展目标实现的重要环节。

1 耐热异种钢焊缝的不均匀特性

1.1 焊缝金属的化学和金相组织不均匀性

众所周知，不论何种焊缝，其都是一个较为复杂的结构，它的成分与焊缝两侧的金属相是有很大差别的，而且它是一个力学性能与组织成分都是不固定的非均匀体。所谓熔合比就是焊缝中母材分量所占的比例，只有在准确预估熔合比的极限值才能够利用焊条或焊丝来评价异种金属焊接接头的焊缝性能。热源功率的数值、焊件、熔合比、包括热源位置、焊接材料、接头形式、焊接电流、电弧电压等因素都有一定的联系。

通常情况下，焊接接头各部分其组成成分是多样的而且不均匀。而且在经历焊接热循环之后，接头部分会出现不同区域金相不同的现象，而且有部分区域的组织会相当复杂。依照金相分析和稀释率，能够较为全面的判断耐热异种钢焊接接头焊缝区的金相组织。这些金相组织具有不均匀性，这不只取决于母材和填料的化学成分，还与焊接方法、焊道布置和数量、焊接工艺等有关。

1.2 性能和应力分布的不均匀性

在焊接接头处存在着很多具有不同化学成分与金相组织的区域，直接造成了焊接接头存在力学性能差异的现象。而且焊接接头不同部分的强度、硬度和塑性变化也较大。有时在三到五个颗粒范围内，显微硬度呈指数变化。在焊缝两侧的热影响区，冲击值甚至相差数倍。

在焊接接头处必然会存在残余应力，因为两侧母材和填充材料的塑性不一样，导致了残余应力的出现。同时，不同区域材料导热系数的差别会导致焊接时热循环温度场出现变化。通常来说，耐热异种钢焊接接头不同区域的热膨胀系数有差异，并且有温度循环导致的界面附加热应力分布也并非均匀，所以会出现峰值应力，这是导致焊接接头断裂的原因。

2 异种钢焊接中存在的问题

2.1 碳迁移

导致异种钢焊接接头出现问题的一个重要原因就是碳迁移或碳扩散。在对拥有不同铬含量的钢进行焊接时，亦或是焊缝与母材铬含量不一样时，要考虑到铬是一种强碳化物产生的元素，焊接接头的高铬区会发生渗碳，而贫铬区会发生脱碳。这都是因为碳原子直径太小导致的，通常在焊接区域温度都非常高，而在高温下，碳原子极易擴散。在长期的高温环境下，或者长时间的热处理环境中，碳原子会扩散到高铬区域，慢慢在碳原子有很强亲和性的铬元素区域形成一个碳化物聚集区。而在原来的区域，因为碳原子的大量转移，就会形成铁素体带，而且他们的晶粒直径都很大。日本指出，在加热条件相同的情况下，如果存在含镍较高的材料就能够有效阻止碳迁移。所以，很多的相关学者都认为可以利用镍基材料来焊接不同区域铬含量差异较大的金属，实现减少碳迁移的目的。镍基焊接材料虽然能抑制碳迁移，但在高温持久性试验中发现了熔合线失效的问题，所以镍基焊材使用要充分考虑接头的使用工况条件。前日本学者新赛夫曾言，如今造成电厂和原子能设备中铁素体钢和奥氏体钢异种钢接头损坏的最大的一个因素就是异种钢接头熔合区塑性下降[1]。上个世纪也有一些学者认为，如果12Cr1MoV和1Cr18Ni9Ti的接头在高温下长时间工作，其热强度就无法保证。然而，无论情况如何，我们都认为异种钢接头中的碳迁移现象并不好，应采取措施加以抑制。

2.2 焊接接头的腐蚀问题

高铬铁素体不锈钢焊接接头受到焊接势循环的影响，当加热温度超过950℃的区间之后进行冷却操作，晶粒间会出现腐蚀的趋势。

奥氏体不锈钢焊接接头晶间腐蚀的作用机理与贫铬理论相符。通常在退火过程中对不锈钢进行焊接操作，组成成分包括固溶微量碳和氮的铁素体及一部分分布均衡的碳和氮的化合物，结构稳固，具有良好的耐腐蚀性能。当焊接温度超过950℃之时，碳、氮的化合物将会在铁素体相中慢慢溶解，从而获得碳、氮过饱和固溶体。因为碳、氮元素在铁素体中的分散速率要比奥氏体中更快，焊接完成后的冷却环节，或者在淬火冷却环节，都有足够的实践分散至晶界区域。另外由于晶界的碳、氮元素的浓度比晶内浓度高，导致晶界中沉淀出Cr、Fe的碳化物以及Cr的氮化物。但是铬的分散速率较低，造成晶界中存在贫铬固溶区域。受到腐蚀介质的影响就造成了晶间腐蚀情况的发生。

2.3 淬硬脆性

由于异种钢接头界面附近化学元素浓度的下降，会产生马氏体组织，就会出现材料韧性下降即淬硬性的情况。碳迁移会导致熔合两侧出现渗碳层，无疑会导致接头的淬硬性提高。而接头的脆性倾向会因为碳迁移造成的淬火脆性和脆性的共同作用而变得越发严重。但是，影响程度总体还是要受到材料混合与工艺的变化的制约。相对于填充金属选择不当的后果，适合的选择也有很多好处，比如可以降低其对接头综合性能的影响以及使接头具有满足安全要求的最小韧性和塑性等。所以，通过正确选择填充金属和工艺，可以使焊缝附近接头的马氏体组织尽可能有限，对韧性影响不大。

3 耐热异种钢焊接技术在火电厂中的应用

3.1 焊接材料选择

进行异种钢焊接的环节，采用适当的焊接材料是其中的关键。焊接接头化学组成主要由填充金属提供，比如，将不锈钢与碳钢进行焊接，要充分考虑二者的组织结构、化学作用和应力的散布、碳的分散等因素的作用，尤其要关注焊丝、焊条等填充物的选用，可以采用不锈钢焊材。

珠光体+奥氏体已经在DL/T 752-2010《电力发电厂异种钢焊接技术规程》中确定了高匹配选择，比如说

12Cr1MoV+1Cr18Ni9Ti异种钢接头，就明确说明在使用工况不超过425℃时选用Cr、Ni含量较奥氏体侧母材高的奥氏体焊材，在使用工况超过425℃时选用镍基焊材。同时还规定了中匹配或低匹配原则，珠光体+马氏体的接头就是这样的原则，比如12Cr1MoV+P91的接头中匹配采用R407焊条，焊接10CrMo910+P91时低匹配选用R407焊条，就得出了性能最好的结论[2]。因此，珠光体+马氏体接头宜选用中、低匹配焊材，珠光体+奥氏体接头宜选用高匹配焊材。

3.2 重视焊接接头坡口和焊接方法

焊接接头的坡口可以有效提高异种钢焊接效率。比如不锈钢与碳钢的一般结构件焊接，最佳的焊接接头坡口原则是：壁厚<3mm的焊缝厚度不开坡口，能够直接进行焊接操作，运用单面焊透的方法;壁厚为4～6mm的焊缝在具备双面焊接条件时也可以不开择坡口，采用双面焊接的方法;>6mm以上可选择V、U或X形的坡口，最合适的坡口角度和尺寸应当遵循在便于操作、保证焊接质量的前提下，尽量减少填充金属量，以减少焊接应力和变形。

普遍的观点认为，氢是造成焊接冷裂纹（延迟裂纹）的主要因素，而手工电焊条其中的熔化金属具备更大的氢溶解度，当进行异种钢焊接操作中通常会使用较高的预热温度（对预热温度需求较高一侧母材的预热温度）。当一侧为奥氏体不锈钢时可以只对非奥氏体侧母材进行预热，焊接层间温度应控制在150℃以下。在焊接方式的选择上，对于厚度不大于8mm的火电厂受热面管子建议采用具有焊接应力低、热影响区不大、焊接能量密集、内部缺陷少、操作简易等优点的氩弧焊接方式，可以有效的减少氢在金属液中的含量，防止延迟裂纹等问题的发生。

3.3 关于焊后热处理

DL/T 869-2012《电力发电厂焊接技术规程》中明确指出奥氏体钢在采用奥氏体焊接材料焊接时不宜进行焊后热处理，但是对于铁素体+奥氏体类异种钢来说，为降低残余应力、防止接头早期失效，应进行焊后热处理，但应注意减少脆化温度敏感区的停留时间，热处理的温度不能过低，否则可能造成接头冷裂纹;从碳迁移的角度考虑，热处理温度不能过高。此类异种钢热处理可采用高温短时加热[3]。

对于铁素体+铁素体类异种钢，应进行焊后热处理，热处理温度上限不能超过两侧母材及选用的焊接材料的Ac1，恒温时间可以执行对恒温时间要求较长侧母材的恒温时间。

4 结束语

随着新型耐热钢的不断发展，锅炉蒸汽参数的不断提升。无疑给异种钢焊接提出了一道道的难题，而依据不断的分析和实践应用，发现选择合适的焊接材料和焊接工艺可以解决火电厂典型异种钢焊接问题。

参考文献：

[1]代晓瑛.浅析异种钢焊接技术在火电厂中的应用[J].大科技：科技天地，2019（19）：176-177.

[2]刘鑫.浅析异种钢焊接技术在火电厂中的应用[J].大科技，2018，000（036）：107-108.

[3]侯世勇.耐热钢焊接技术在火电厂中的应用研究[D].北京：华北电力大学，2019（15）：52-57.