碳钢与承载不锈钢异种钢焊接的焊材选用

韦青平

（华西能源工业股份有限公司， 四川 自贡 643000）

目前，在垃圾发电及生物质余热锅炉中，过热器，省煤器迎风面管材上焊接不锈钢材料以避免管材腐蚀及磨损。根据管子内温度和炉膛温度，在过热器，省煤器选用耐热钢或碳钢，防腐防磨材料为奥氏体不锈钢。下面对碳钢钢板与防磨板（材料为06Cr25Ni20）焊接式样试验，从而找出满足性能要求及使用要求，同时又能降低制造成本的焊接材料。

1 焊接对比试验

1.1 试验材料

试验用母材及焊材的化学成分和力学性能见表1。母材Q345R，符合GB/T 713—2014标准；母材06Cr25Ni20符合GB/T4238—2015；焊材E3019-16符合GB/T983—2012和NB/T47018.2—2017；焊材E5015-A1符合GB/T 5118—2012和NB/T 47018.2—2017。

表1 试验用母材及焊材的化学成分和力学性能

1.2 焊接方法及工艺参数

碳钢Q345R与不锈钢钢板06Cr25Ni20对接，δ=20 mm，V型坡口，单面30°。试板采用Φ3.2 mm焊条打底，Φ4 mm焊条打底，背面清根，Φ4 mm焊妥。焊接完成后，两块试板RT 100%检查。探伤合格后进行焊后热处理。焊接及热处理参数见表2。

表2 焊接及热处理参数

2 结果与分析

2.1 力学性能

两个式样力学性能抗拉强度，1号式样：561 MPa、585 MPa，断裂在碳钢侧；2号式样：619 MPa、610 MPa，断裂在碳钢侧；其强度高于母材最小抗拉强度485 MPa。350℃高温下抗拉强度见表3。

表3 式样瞬时高温性能

按NB/T 47014—2011对各式样进行侧弯180°，试验结果合格。

常温冲击试验，两侧热影响区和焊缝冲击试验合格。

2.2 金相组织分析

图2 式样1不锈钢侧熔合区（200×）

图3 式样2碳钢侧熔合区（200×）

上面图片为式样1和式样2两侧母材与焊缝熔合区金相照片：从图1～图4金相照片可得出：

图1 式样1碳钢侧熔合区（200×）

图4 式样2不锈钢侧熔合区（200×）

1）采用不锈钢焊条的式样1在碳钢侧熔合区出现较为明显的脱碳层，在不锈钢侧焊缝呈现焊缝柱状晶形状。其焊缝组织未A+C点。

2）采用耐热钢焊条的式样2在碳钢侧熔合区晶粒细小均匀，组织为F+S，与母材组织相似。不锈钢侧未出现明显的脱碳层。

3 综合分析

根据NB/T 47014的相关要求，从常温力学性能以及瞬时高温性能看，式样1和式样2都能满足标准要求。

不锈钢与碳钢焊接为异种钢焊接，在异种钢焊接过程中，需克服几个大的问题，比如：焊缝合金元素与母材的匹配，碳迁移产生的脱碳层性能下降，以及材料的热膨胀系数不同产生的热应力等。在锅炉运行过程中，其管子起到热交换作用，其承受内部压力，以及管子内外壁热应力。对于式样1，在碳钢侧出现脱碳层，根据现有研究：在贫碳区中有塑性应变集中现象，导致其损伤加剧，成为裂纹扩展过程的较弱环节[1]。采用不锈钢焊条焊接式样，碳钢侧易出现脱碳层，其性能降低，在锅炉运行过程中，受热应力影响管子会拉裂，裂纹在熔合区扩展，最终锅炉漏水引起锅炉停炉。从保护管子角度，并避免受压部件侧出现脱碳层以满足安全使用要求，其焊接材料应采用非不锈钢焊条为宜。

4 结论

1）在垃圾炉生产制造中，碳钢与非承载不锈钢异种钢焊接，选择耐热钢焊条，和不锈钢钢条都能满足焊接接头力学性能。

2）为保证垃圾余热锅炉产品安全使用，保证管子长效使用，应选用耐热钢焊条以避免管子侧出现脱碳层，并避免焊缝出现应力集中。