700℃超超临界机组用C-HRA-1 镍基合金的焊接工艺试验与实践

王立玉

（中国能源建设集团江苏省电力建设第一工程有限公司，江苏 南京 210001）

随着电站锅炉向高参数、大容量、高效率方向发展，很多国家都在开展700℃先进超超临界机组研究。700℃等级的先进超超临界机组对耐热材料的性能提出了更高要求，传统超超临界机组使用的奥氏体钢已不能满足700℃等级的先进超超临界机组高温部件的使用要求，必须开发出能够在700℃～750℃长期稳定服役的耐热材料[1]。C-HRA-1 是我国自主研发的50Ni-25Cr-20Co-Al-Ti-Nb 镍基高温合金，其750℃、1.0×105h 下的持久强度目标值为≥100MPa，其目标是达到或超过国外同类型Inconel 740H 镍基高温合金的指标，是潜在的700℃超超临界机组锅炉高温过热器、再热器以及集箱和主蒸汽管道用候选材料[2]。

我国700℃试验研究项目在某电厂挂管试验平台上也选用了C-HRA-1 镍基合金材料，因此，对其焊接性进行研究并制定可靠的焊接工艺，对应用于工程实际是非常必要的。

1 焊接性分析

C-HRA-1 镍基合金的名义成分(wt%)为：C：0.03，Cr：4.5，Co：20.35，Mo：0.3，A1：1.47，Ti：l.27，Nb ：l.26，Mn：0.02，Fe：0.1，Si：0.05，B：0.001，Ni：Bal。由于C-HRA-1 镍基合金固液相温度间距小，熔融态流动性差，焊接时如果工艺措施不当，在快速冷却结晶条件下，容易产生气孔。另外，因合金成分与组织原因，加上合金线膨胀系数大，焊接时易产生较大的应力，焊缝结晶时低熔点共晶在收缩应力作用下易产生热裂纹。

针对可能产生的焊接缺陷，在制定焊接工艺应采取针对性预防措施：①注意焊前清理，避免氧化物和油污产生气孔；②保持稳定的电弧电压，弧长尽量短；③采用小的焊接电流，减小焊接热输入，控制层间温度；④填满收弧弧坑，防止弧坑裂纹。

2 焊接工艺试验

2.1 试件材质与规格

选用小径管做焊接工艺试验，管子规格为Ф33.7×7.1mm，采用相同的工艺焊接三个试件。

2.2 焊接方法

手工钨极惰性气体保护电弧焊（GTAW）打底、填充和盖面。

2.3 焊接位置

45°固定（6G）。

2.4 坡口形式

采用V 形坡口，坡口角度为单边 35°，钝边为0.5-1mm，坡口间隙2.5-3.5mm，如图1 所示。

图1 坡口形式

2.5 焊接工艺参数

焊接选用与母材成分相匹配的专用焊丝，焊接打底一层、填充一层、盖面一层共三层，每层的焊接电流、电弧电压、焊接速度等工艺参数范围见表1。

表1 焊接工艺参数

2.6 保护气体及流量

焊枪用氩氦混合气体(75%Ar+25%He)，流量8-10L/min，背面保护用纯氩气体，流量6-8L/min。

2.7 施焊技术

焊前清理彻底，坡口及施焊区域两侧20mm 范围内呈现金属光泽，采用酒精清洗坡口面；单面焊双面成形，小摆动连弧焊，短弧操作；适当增加在两侧坡口边缘处停留时间，确保熔合良好；用不锈钢专用砂轮片层间打磨，氧化膜去除干净；焊丝头如有氧化必须剪除；控制层间温度不超过150℃；收弧填满，不能有弧坑。

焊接时采用提前送气与滞后停气，增加电流衰减时间，焊接完成后继续送气，直至焊缝金属冷却（颜色由红变暗）。

2.8 焊后热处理

试件焊接完成后自然冷却到室温，然后整体放进热处理炉升温进行热处理，升温速度不大于200℃/h，升温至800±10℃后保温5 小时，然后空冷降温至室温。

2.9 检验与试验

对三个焊接试件按DL/T868-2014《焊接工艺评定规程》的规定进行检验与试验[3]。外观检查合格，未发现裂纹、未熔合、夹渣、弧坑、气孔、咬边等缺陷；按照DL/T821-2017《金属熔化焊对接接头射线检测技术和质量分级》标准的规定进行射线检测，焊缝质量合格，未发现内部有超标缺陷；按照GB/T2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》进行拉伸试验，抗拉强度合格，断在焊缝处，结果见表2。

表2 焊接接头拉伸试验结果

按照GB/T2653-2008《焊接接头弯曲试验方法》进行面弯和背弯试验，在焊缝和热影响区内任何方向上未发现开裂缺陷，弯曲试验合格，结果见表3。

表3 焊接接头弯曲试验结果

按照DL/T884-2004《火电厂金相检验与评定技术导则》对焊接接头进行微观金相检验，微观金相的焊缝、母材、热影响区组织均为奥氏体+碳化物+析出物，未发现异常组织和其它缺陷，显微组织见图2 所示。

图2 焊接接头微观金相组织

3 现场焊接实践

在我国700 ℃试验研究项目某电厂挂管试验平台上有Ф33.7×7.1mm 和Ф44.5×10mm 两种规格的C-HRA-1 镍基合金材料。为了保证现场安装焊口质量，在取得了焊接工艺试验与评定合格基础上，针对现场具体情况制定了科学合理的焊接方案。

3.1 焊工培训与考核

从事现场焊接的焊工首先要有不锈钢管的焊接经验并持有不锈钢小径管氩弧焊（GTAW）焊接操作证，然后进行氩弧焊方法用镍基焊丝焊接奥氏体不锈钢小径管培训，技能操作熟练后，按照TSG Z6002-2010《特种设备焊接操作人员考核细则》的规定考核合格。上岗前焊工再进行一次模拟练习，试件材质、规格、焊接工艺参数等全部与正式焊接时相同，拍片合格后方可上岗。

3.2 焊接工艺

现场安装时Ф33.7×7.1mm 管子焊接我们完全采用了上述工艺试验时的焊接工艺；Ф44.5×10mm 管子焊接与Ф33.7×7.1mm管子相比，除了增加填充层数，一层打底、三层填充、一层盖面共五层外，其它工艺参数与施焊技术基本相同。

3.2 热处理工艺

与工艺试验时的热处理不同的是，现场焊接后的热处理采用的是自动控温设备、局部电加热法。用履带式电加热器包扎对接焊缝，管子对接焊缝位于加热器包扎环带中心，包扎范围为：环带宽度超出管子对接焊缝中心线各100mm，控温热电偶置于焊缝中心；电加热器外采用硅酸铝保温毯保温，且覆盖范围超出电加热器边缘100mm，保温层厚度80mm。热处理绑扎及热电偶布置示意如图3 所示。

图3 热处理绑扎及热电偶布置示意图

热处理保温温度800±10℃，两种规格管子的保温时间均为5 小时，300℃以下升温速度不控制，300℃以上升温速度不大于200℃/h，保温完成后空冷。

热处理后对焊接接头进行外观检查、渗透检测与射线检测，结果均合格，并在后续的运行试验中状态稳定。

4 结语

C-HRA-1 镍基合金小径管选用与母材成分相匹配的专用焊丝，采用手工钨极氩氦混合气体保护电弧焊方法，执行预防气孔、裂纹等缺陷施焊技术措施，焊后经800℃高温热处理后，焊接接头质量与性能满足相关标准要求。在现场实际施焊时加强焊工技能培训，并针对性模拟练习，是焊接质量的重要保证。