锅炉承压管与非承压附件异种钢焊接工艺研究

锅炉承压管与非承压附件异种钢焊接工艺研究

乔健

抚顺石化工程建设有限公司  113004

摘要：近年来，社会进步迅速，文章通过结合已有的研究结果，从异种钢焊接材料的焊接方法、焊接材料、工艺参数和热处理等方面对异种钢焊接工艺进行了综述。结果表明，母材的物理化学性能相异是焊接困难的主要原因，合理的工艺能有效地提高焊接接头的组织性能。

关键词：锅炉承压管；非承压附件异种钢；焊接工艺研究

引言

两种牌号不同的钢之间的焊接称之为异种钢焊接，它是属于异种金属焊接中应用最为广泛的一类接头。对于异种钢焊接接头又可分为两种情况，第一类为同类异种钢组成的接头，这类接头的两侧母材虽然化学成分不同，但都属于铁素体类钢或都属于奥氏体类钢；第二类接头为异类异种钢组成，即接头两侧的母材不属于同一类钢。对于母材都属于铁素体类钢，其焊缝采用奥氏体不锈钢焊条或镍基焊条焊接的接头，也属于第二类接头。由于异种钢接头两侧的母材无论从化学成分上还是物理、化学性能上都存在着差异，因此，焊接时，要比同一种钢自身之间的焊接要复杂得多。异种钢焊接时存在以下焊接特点。

1 异种金属焊接性能

一般来说金属焊接性包含工艺焊接性和使用焊接性。工艺焊接性为得到良好的焊接接头的能力；使用焊接性为得到的焊接接头满足使用要求的能力，一般由相关实验和生产事件进行检验。

焊接性一般受其母材的物理化学性质、化学成分、焊接材料的选择、焊接工艺、结构设计、使用条件等多方面的影响。常见物理性质影响有以下四点：（1）熔点的不同造成热处理困难，母材熔化不能同步，如果熔点相差太悬殊，可能出现不能焊的情况；（2）电磁性的不同导致电弧焊时电弧燃烧不稳定；（3）线性膨胀系数不同容易造成焊接应力集中或裂纹产生；（4）热导率和比热容的不同使熔池的形成不能同步，由于使传热的速度不一样而导致热应力增大。

一般分析金属焊接性的方法有：直接法（做实验）；间接法（碳当量法、焊接低温裂纹敏感指数、利用CCT图分析、利用材料的物理或化学性能分析、利用合金相图分析等）。

对于金属材料焊接性分析不管是对于同种金属焊接，还是对于异种金属焊接，都是必不可少的，焊接性是焊接工艺选择的一个重要依据。焊接性能分析是焊接试验中的首要步骤，其地位可想而知。如在碳当量Ceq计算时，焊接性则在金属材料的淬硬性及碳当量的大小上体现出来，随着金属材料的淬硬性增大焊接性下降，在参考文献中介绍到一般情况下，碳当量小于0.4%时，金属材料的淬硬性不大焊接性好，而且在一般的焊接工艺条件下可以不用预热；碳当量在0.4%～0.6%时，金属材料就比较容易淬硬，焊接性就较差了，需要焊前预热减小冷裂倾向；碳当量大于0.6%时，金属材料的淬硬性和冷裂性都非常大，焊接性能差，则焊接时必须采用严格的工艺措施来保证其焊接质量；如果当碳当量达到一定程度时一般就会不采用焊接工艺或者采用特殊的焊接工艺。

2异种钢焊接工艺

2.1焊材选择

异种钢接头的焊缝和熔合区，由于合金元素被稀释及碳的迁移等原因存在一个过渡区，过渡区中不但化学成分、金相组织不均匀，而且物理性能、力学性能等通常也有很大差异，可能会引起焊接缺陷(如裂纹等)或严重降低性能。为此必须按照母材的成分、性能、接头形式和使用要求等来正确选用焊材。其焊材选用的基本原则有以下几点。

（1）在焊接接头不产生裂纹等缺陷的前提下，若焊缝金属的强度和塑性不能兼顾时，则应选用塑性和韧性较好的焊材。

（2）焊缝金属性能只需要符合两种母材中的一种，即可认为满足使用技术要求。一般情况下，选用焊材使焊缝金属的力学性能及其他性能不低于母材中性能较低一侧的指标，即认为满足了技术要求。但在某些情况下还应从焊接工艺性能(如抗裂性等)方面来考虑。

（3）结构钢的异种钢号焊接时，对相同强度等级的结构钢焊条，一般应选用抗裂性能好的低氢焊条。对于金相组织差别比较大的异种钢接头。

（4）在满足性能要求的条件下，选用工艺性能好、价低、易得的焊材。

（5）对于异类异种钢接头，一般均选用高铬镍奥氏体不锈钢焊条或镍基合金焊条。对于工作条件苛刻的重要接头，首推选用镍基合金焊条，因为虽然它价格较贵，但可以减少或避免碳迁移，且其焊缝金属的线膨胀系数介于铁素体钢和奥氏体钢之间，对接头的组织及力学性能都有好处。

2.2焊接预热要求

预热温度的确定，一般按预热要求高的一侧来确定焊接预热温度，但对于异类异种钢接头，可以适当降低预热温度，必要时经试验后确定。

2.3焊接规范的确定

对于异类异种钢接头，在选择焊接规范时，因设法降低熔合比。为此，应选择小直径焊条或焊丝，尽量选用小电流快速焊。

2.4采用预堆边焊的方法进行焊接

有时为了解决异种钢接头预热和焊后热处理难的问题，往往采用预堆边焊的方法进行焊接。这种做法，可减少熔合区成分不均匀所带来的一些问题，也给接头的热处理带来方便，但切记此时预堆边焊层的厚度一定要保证大于或等于4mm，以起到隔离层的作用。

2.5焊后热处理温度的确定

一般是按照热处理温度要求高的一侧母材来选定异种钢接头的PWHT温度，此时一定要事先做焊接工艺评定，以防使强度低的一侧母材强度严重下降，出现强度不合格。

3电厂管道异种钢焊接热处理问题分析

3.1对碳元素的影响

（1）碳迁移

在异种钢焊接中，若是出现碳迁移问题，则会导致熔合线附近出现扩散带，并在珠光体侧形成脱碳层，同时，还会在相邻奥氏体焊缝侧形成增碳层。当脱碳层由原本的珠光体转变为铁素体之后，其本身的硬度会随之减弱，进而出现软化，这样一来极容易引起晶粒长大;而增碳层由于铬的碳化物析出会表现出硬化状态，从而使高温强度大幅度下降，在这一过程中，焊缝位置处的脆性会随之增大。此外，热处理的时间越长、温度越高，扩散带增大的幅度就越大。相关研究结果表明，当异种钢熔合线附近出现碳迁移时，其接头位置处极有可能形成低应力蠕变断裂，由此会导致接头失效。

（2）碳化物

相关研究结果表明，当焊接热处理的温度≤650℃时，异种钢碳化物的析出时间较长，并且会随着时间的推移不断长大;当焊接热处理的温度≥675℃时，碳化物会先长大，并随着时间的推移逐步变小。如果对异种钢进行焊接热处理时温度控制的不到位，则会对碳化物造成影响，这样极有可能引起接头早期失效。

3.2对网状组织的影响。

火电厂中有一些运行环境较为特殊的管道采用的是高合金钢，焊接热处理会促进此类钢材网状组织的形成。以高合金钢中比较常见的奥氏体钢为例，在焊接热处理时，高温会使碳化物的析出速度大幅度提升，由此会对奥氏体钢的焊接接头产生不利影响，若是碳化物沿着奥氏体晶界析出，则会形成网状结构，这种情况在母材的热影响区比较常见。

结语

综上所述，以对管道选择恰当的热处理工艺为基础，管道焊接完成通过热处理去掉金属工件在冷热加工阶段里所制造的残余应力，可以有效保障管道的具体强度、抗疲劳度，最终防止变形、应力腐蚀还有脆性断裂现象的发生。

参考文献

[1] 黄本生，黄龙鹏，李慧.异种金属焊接研究现状及发展趋势[J].材料导报，2011，25（12）.

[2] 宋庭丰，蒋小松，莫德锋，等.不锈钢和钛合金异种金属焊接研究进展[J].材料导报，2015，29（6）.

[3] 潘春旭，孙国正.异种钢焊接性能的研究现状和进展[J].水利电力机械，1998，（3）.