火电厂异种钢焊接难点及工艺分析.pdf

第3 1卷 第4期 2 0 0 9年 4月 华 电 技 术 Hu a d i a n Te c h n o l o g y Vo 1 ． 31 No． 4 Ap r ． 2 0 09 火 电厂异种钢焊接难点及工艺分析 An a l y s i s o n d i ffic u l t p o i n t s o f h e t e r o g e n e o u s s t e e l s we l d i n g c r a f t 侯世 勇 ， 谢 步兴 HOU S h i y o n g ，XI E Bu x i n g 1 ． 内蒙古华 电包头发 电有限公司 ， 内蒙古包头0 1 4 0 1 3 ； 2 ． 内蒙古岱海发 电有限责任公 司 内蒙古 凉城0 1 3 7 5 0 1 ．I n n e r Mo n g o r i a Hu a d i a n B a o t o u G e n e r a t i o n C o r p o r a t i o n L i mi t e d ，B a o t o u 01 4 01 3，C h i n a ； 2 ． I n n e r Mo n g o r i a Da i h a i G e n e r a t i o n C o rpo r a t i o n L i mi t e d ，L i a n g c h e n g 0 1 3 7 5 0，C h i n a 摘要 介绍 了几种常见的异种钢接 头， 分析 了火电厂异种钢接 头的焊接特征及异种钢焊接 的难点 ， 给 出 了 各类异种钢焊接的工艺措施 。 关键词 异种钢焊接 ； 焊接难点 ； 焊接工艺 中图分类号 T G 4 5 7 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 41 9 5 l 2 0 0 9 0 4 0 0 5 7 0 4 A b s t r a c t I n t h i s a r t ic l e s e v e r a l c o mm o n h e t e r o g e n e o u s s t e e l j o i n t s w e r e i n t r o d u c e d ，t h e w e l d i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f h e t e r o g e n e o u s s t e e l j o i n t s u s e d i n p o w e r p l a n t s a n d t h e k i n d s o f d i f f i c u l t p o i n t s f o r t h e i r w e l d i n g w e r e a n a l y z e d ， a n d t h e c r a f t o f we l d i n g f o r h e t e r o g e n e o u s s t e e l s h a v e b e e n p o i n t e d o ut ． Ke y wor ds h e t e r o g e n e o us s t e e l s we l d i n g；d i f fi c ul t p o i n t s o f we l d i n g；we l d i ng c r a f t 0 引言 异种钢焊接是火电厂检修及建设施工中的一个 难点问题。其关键在于如何正确选择异种钢的焊接 和热处理工艺 异种钢焊接接头加深了金属材料在 连接处的不均匀性 ， 因而 ， 降低 了接头的抗裂能力， 增大了它在应力腐蚀方面的敏感性。对于在高温下 长时间使用的工件而言 ， 由于异种钢接头的持久强 度下降， 大大缩短了它的使用寿命。为此 ， 在火电厂 热力设备制造 、 安装和检修过程中， 应当尽量排除异 种钢接头的出现， 但在实际上却因为种 种原 因 节 约资金、 设备上的参数过渡 不得不 出现异种钢焊 接接头在此情况下， 首先， 在设计上应当将异种钢 接头安排在应力场不复杂和应力水平较低 的部位 如将联接管角焊缝或三通主焊缝上 的异种钢接头 转移到直管段焊缝上 ； 其次 ， 在焊接材料 、 焊接规 范和热处理制度的选择上， 应通过试验评定来选择 最佳者； 除此之外， 应严格控制焊接与热处理的工艺 收稿 日期 2 0 0 8 0 92 5 过程和质量， 在异种钢接头投入运行后 ， 采取有效的 监督措施 ， 从而减少事故发生的几率。 1 异种钢焊接接头的定义 以往认为， 凡是钢号不同的钢种进行焊接所形 成的焊接接头就称为异种钢焊接接头。2 0 0 0年， 中 国电机工程学会焊接分会在银川举行的会 议上提 出， 组织不同的钢种进行焊接时形成的接头就称为 异种钢焊接接头 ， 如 1 2 C r l M o V与 1 0 C r M o 9 1 0形成 的珠光体 贝氏体 钢接头； 1 2 C r l Mo V与 T 9 1形成 的珠光体 马氏体钢接头； 2 0 g与 1 C r l 8 N i 9 T i 形成 的珠光体与奥氏体钢接头； 铸件用 奥氏体焊条进行 修补时形成 的珠光体 马氏体 接头奥 氏体。另 外 ， 一些钢号不同但组织形态相近的焊接接头， 因其 与同种钢焊接区别不大 如 1 2 C r l Mo V与 2 0 g ， 已 经不再归为异种钢焊接范畴。 2 异种钢焊接接头的特征 异种钢接头与同类钢接头存在本质区别 ， 表现 为 焊缝金属与两侧热影响区和母材金属5 个区域 5 8 华 电技 术 第 3 l 卷 所构成的整个接头存在多方面的不均匀性 。 2 ． 1 化学成分的不均匀性 异种金属熔化焊接时， 焊缝两侧金属及熔化金 属的合金成分存在明显 的熔度差别。在焊接时， 因 焊缝形状 、 母材厚度 、 焊接 电流 、 电弧 电压、 焊接速 度 、 焊条药皮或焊剂 、 保护气体种类 、 焊接位置及 电 极对工件的倾角等因系不同 ， 焊接熔池的行为也不 一 样。母材的熔入量不同， 焊缝金属与母材熔 化区 化学成分浓度 的相互稀释作用也将发生不同变化。 2 ． 2金属组 织 的不 均 匀性 由于接头化学成分的不均匀性 ， 在经历焊接热 循环作用后， 接头的各个区域也将 随之出现不 同的 金相组织 ， 往往在其局部区域 内表现 出相 当复杂 的 组织结构。金属组织的不均匀性首先取决于母材和 焊接材料的化学成分 ， 同时也 与焊接方法 、 焊道层 次 、 焊接和热处理工艺过程有关 ， 若能在工艺上合理 调整 ， 可以使不均匀的程度得到一定改善。 2 ． 3 性能 的不 均匀性 接头各区化学成分与金相组织 的差异也带来了 性能 的不 同 ， 即沿 整个 焊接 接头 各 个 区域 的室 温强 度 、 硬度 、 塑性 、 韧性都将有很大的差别， 有时在 3～ 5个晶粒的范围内， 显微硬度 出现成倍的差值 ， 强度 也会由于成分的不同而产生很大区别。物理性能的 差异主要表现在热膨胀系数和导热系数上， 这可能 导致运行过程中产生大的热应力。 2 ． 4 应 力场分 布 的不均 匀性 焊接残余应力在异类接头中分布不均匀 ， 首先 由各种材料不同的塑性状态所决定 ， 而材料导热性 的差异将导致焊接热循环温度场的变化， 导致残余 应力分布不均匀。由于异质材料热膨胀 系数 的差 异 ， 接头在正常使用下因温度循环而 出现在界面上 的附加热应力也是分布不均匀 的， 甚至还会 出现高 峰应力 ， 从而成为接头断裂的主要原因。 3 异种钢焊接 中遇到的问题 3 ． 1 碳 迁移 碳迁移或碳扩散现象是异种钢焊接接头的主要 问题 之一 。 当含 c r 不等的钢进行焊接 ， 或焊缝 与母 材的 C r 含量有差别时， 由于 C r 是强烈 的碳化物形成元 素 ， 因而在焊接接头的高 c r 区将出现增碳现象 ， 而 在贫 c r 区将出现脱碳区。因为碳原子的尺寸较小 ， 在施焊区进行高温加热时 ， 碳原子的扩散能力要 比 其他元素大 1 0 4～1 0 6倍 ， 由于 C r 元素的碳 原子 的 亲和力很强 ， 因此 ， 在焊后热处理或接头在高温长期 使用时 ， 碳原子 向高 C r 区扩散而形成碳化物的积聚 区； 原来的低 c r 区由于碳原子的迁移 ， 形成了铁素 体带 ， 其晶粒往往十分粗大。 当接头两侧 金属 中 c r元素 的质 量分数 大于 0 ． 2 5 ％时 ， 碳原子在加热过程 中的迁移现象就能够 观察到 ， 随着这种差异的加大 ， 其表现程度越明显。 当加热条件相同时 ， 含镍较高的材料能阻止碳 迁移现象的发生。因此 ， 采取镍基材料焊接含 C r 差 别较大的金属可以阻止碳迁移。 钒也是碳化物形成元 素， 如在低 c r 钢侧填加 钒 ， 在一定条件下可以抑制碳向高 c r 钢侧迁移。反 之 ， 如在高 c r 钢侧填钒元素 ， 则将促进碳迁移的形 成 。另外 ， 在低 c r 钢一侧加入钛 、 铌等元素也可以 起到相 同的作用。 碳迁移现象对异类焊接接头使用安全性产生的 影响很大 发生碳迁移现象 时， 异种钢接头熔合 区 塑性降低而引起熔合线裂纹 ， 这是近来 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主 要 原 因 。 多年来 ， 为 了解决高温高压大容量锅炉设备 中 过热器管的珠光体钢 奥氏体钢异种钢焊接接头问 题 ， 相关研究人员进行了大量试验研究。结果表明 焊后不做热处理的接头 ， 在短时间的高温试验下 ， 具 有很高的断裂强度。这是因为焊后状态在热影响区 的组织为马氏体加 贝氏体组织 ， 而热处理后 的接头 由于沿熔合区产生了脱碳层 ， 使强度降低 了。做长 时间的蠕变试验后 ， 焊后状态 的接头也相 当于在做 较低温度和长时间延续 的热处理， 故碳 的迁移现象 明显表现出来 ， 所以， 断裂强度下降， 且断 口都在珠 光体钢侧熔合线处 。此外， 奥 氏体钢在热处理时若 在 3 0 0～5 0 0 o C范围停 留时间太长 ， 还会产生4 7 5 ℃ 脆性 。 3 ． 2 界 面 应力 在异种钢接头使用 中， 2种不 同金属 的界面或 两侧 以及近缝区将有很复杂的应力交混存 在， 这种 局部混合应力称为界面应力 。 第 1 种情况。由于 2种不同材料的物理常数不 同 ， 特别是热膨胀系数 、 屈服极限等的不同， 引起熔合 区产生很大的热应力 ， 而这种热应力 比焊接时产生的 拘束应力还大。珠光体 奥氏体钢接头的断裂之所 以发生在熔合线附近， 就是因为碳迁移时高 C r 侧的 增碳层塑性下降， 仅界面热应力作用时， 它就会产生 断裂。碳迁移和热应力都是断裂的诱导因素。 第4期 侯世 勇， 等 火电厂异种钢焊接难． ． J L_Z - 艺分析 - 5 9 第 2种情况。奥氏体 珠光体钢的接头由于化 学成分的稀释 ， 在奥氏体钢侧可能产生淬硬组织 ， 因 而在界面附近将伴随出现组织应力 和微观应力 ， 在 马氏体 珠光体钢的接头 中更容易产生马氏体组 织 ， 因此， 更加容易出现这种情况。 第 3种情况。在异种钢接头的界面两侧 ， 由于 碳的迁移形成 了具有塑性形变能力的脱碳带和不具 备形变能力的增碳层。当接头遇冷 收缩时， 拘束应 力在脱碳层得到松弛 ， 而在增碳层集中， 这种情况在 同类接头中不会出现。 3 ． 3应力腐蚀 敏感性 应力腐蚀破坏是电厂热力设备焊接接头应予以 重视的特殊问题。因为锅炉受热面管子 、 高温高压 的汽水管道均在温度 、 应力和腐蚀性介质的工况下 长期工作 ， 经常见到焊接接头热影响区出现点状 、 刀 状或沟槽状腐蚀。这些腐蚀的出现加剧了该处的应 力集中， 从而又促使腐蚀速度加快， 如此恶性循环 ， 造成其承载能力下降， 最终导致破裂 异种钢接头界面应力大， 且 以拉伸力为主。加 上界面附近化学成分 、 金相组织 、 物理性能的差别 ， 提高了诱导应力腐蚀 的几率 ， 因而在相同的腐蚀条 件下 ， 异种钢接头的应力腐蚀敏感性较同类接头强。 例如， 实践 中汽轮机叶片 2 C r l 3材料 采用奥氏体 材料焊接经 1 9 7 5 8 h就出现腐蚀现 象， 而 同种材料 用 C r 一 2 0 7焊接 ， 5 0 0 0 0 h后仍然未出现腐蚀。 3 ． 4 淬硬脆性 异种钢接头在界面附近由于化学元素浓度的稀 释， 将出现淬硬性的马氏体组织， 这就必然导致该处 的韧性下降， 即所谓淬硬性的出现。异种钢接头处 由于碳的迁移也将形成熔合线两侧的增碳层 ， 会增 加接头 的淬硬性 。 淬硬脆性和碳迁移引起的脆性共同作用将导致 焊接接头脆性倾向的增大 ， 但它的影响程度将 随具 体的材料搭配和工艺不同而不同。如能选择得 当， 可以减弱其对接头综合性能的影响， 甚至使接头具 有能满足安全性的最低限度的韧性和塑性 。 因此， 可以通过正确选择焊条和工艺过程 ， 使接 头近缝 区的马 氏体组织 尽量对 韧性 不构 成 大的 影 响。 3 ． 5 o r 相析出及 4 7 5℃脆性 异种钢接头的脆性断裂现象 ， 在许多电厂设备 中都出现过。当珠光体 马氏体接头中马氏体钢的 C r 含量较高， 珠光体 奥氏体接头 中双相组织区铁 素体相所占比例较大时 ， 就会出现 4 7 5 o C脆性 和 相脆化 的问题 。 高 C r 钢加热到 9 0 0℃以上时会使组织 晶粒粗 大， 在室温下钢材就会变得脆硬起来 ， 如果在 4 7 5℃ 长期加热然后缓冷， 脆化就进行的更加迅速。 4 7 5 ℃脆性可以防止珠光体 马氏体钢接头焊 后加热到 6 0 0 o C以上短时保温后 ， 再空冷即可恢复 其塑性和韧性。珠光体 奥氏体接头在焊条选择时 使焊缝中多加入一些奥 氏体化的元素 ， 减少一些铁 素体化倾 向的元素， 使焊缝组织 中的奥氏体钢 一F e 的质量分数小于 1 0 ％， 即可使 4 7 5 o C脆性下降。 比较难办的问题是焊缝中 相 的析出而形成 的脆化。 相是一种 F eC r 金 属化合物 ， 性硬且 脆 ， 其硬度 6 8 H R C。它是焊接接头处于高温中长 期加热时析出的， 随着各种不锈钢元素含量之不同， 相的形成温度也不一致 ， 一般在 5 4 0～ 8 7 5℃的范 围内。焊缝中 O v 相就是双相组织中奥氏体钢 一F e 长期加热转变的结果。如按照一般珠光体耐热钢的 焊后 回火温度进行处理 7 0 0～7 4 0℃ ， 则导致有 相析出。如珠光体 奥氏体接头焊后不做热处理， 但 作为高温高压的锅炉管道， 其使用温度已经达到 相 析出的敏感温度 ， 因而在长期使用中也会造成 相析 出， 这需要在使用过程中进行金相检验来监控。 4 异种钢焊接及热处理工艺选择及实际应用 4 ． 1 焊接材料 选择 在 D L 7 5 2 2 0 0 l 火力发电厂异种钢焊接技术 规程 中， 珠光体 奥氏体钢即 A类异种钢焊接规 定了高档选择的原则 ， 如 1 2 C r l Mo Vl C r l 8 N i 9 T i 的 异种钢接头 ， 它规定选用镍基焊条； 珠光体 马氏体 钢 ， 即 M类异种钢焊接规定了低档选择的原则， 也 就是选用与钢材级别低的一侧相配的或成分介于两 侧之间的焊材。 有试验表明 P 9 1与 1 2 C r l Mo V 珠光体 马氏 体型接头 焊接 时， 分别使用低档 热 3 1 7 、 中档 热 4 0 7 、 高档 热 7 0 7 和奥氏体及镍基焊材进行 焊接 ， 发现中档性能最好 ， 低档次之 ， 高档选择和奥 氏体焊缝使矛盾转移到低档母材的热影响区或焊缝 界面上。镍基焊材虽然能抑制碳迁移现象 ， 但在高 温持久试验时发现 2个问题 一是熔合线的破坏； 另 ～ 个是持久强度下降 4 0 ％左右。因此 ， 珠光体 马 氏体型接头焊接时选择中档焊接材料更佳。 因此， 对珠光体 马氏体接头以中档选择焊条比 较适合 ， 对珠光体 奥氏体接头尽量选择高档为宜。 在岱海 电厂6 0 0 MW机组工程建设 中， 遇到 了 6 0 华 电 技 术 第 3 1卷 除氧器接管座 1 C r l 8 N i 9 T i 与辅汽管道 S A 1 0 6 C 的异种钢焊接接头， 依据 以上原则使用 了 N i 3 1 7焊 条； 在华电包头发电有限公司 6 0 0 M W 机组工程建 高温段再热器安装 时 ， 遇到 了 3 “ 9 11 2 C r l Mo V接 头 ， 使用了 R 4 0 7焊条 ， 效果 良好。 4 ． 2 预热 温度 由于火电厂用热强钢一般都具有焊接冷裂纹和 再热裂纹敏感性 ， 且 管道对接焊缝 的拘束度大 ， 而 我国手工电焊条的熔化金属的氢溶量较高， 因此， 综 合考虑钢材性能进行必要的预热是正确 的。在实际 焊接中 ， 当焊接壁厚小于6 m m的奥氏体 珠光体或 贝氏体钢接头时， 不进行预热。奥 氏体 马氏体钢 接头预热 1 0 0～1 5 0℃ ； 马氏体 贝氏体或珠光体接 头预热 2 5 0～ 3 5 0℃。 4 ． 3焊接方 法 由于氩弧焊工艺具有焊缝应力小 、 热影响区小 、 焊接能量集 中、 内部缺陷小、 易操作等特点 ， 而且可 以有效减小熔金属氢含量 、 减少裂纹几率 ， 因此 ， 推 荐使用全氩弧焊或氩弧焊打底 、 电弧焊 盖面的焊接 方法 。 4 ． 4 焊后 热处理 在 D L 7 5 2 --2 0 0 1 火力发电厂异种钢焊接技术 规程 中规定 壁厚小于 6 m m的奥氏体 珠光体或 贝氏体接头不进行热处理 ； 壁厚大的奥氏体 珠光 体或贝氏体接头按照非奥氏体一侧钢材来选择热处 理 工艺 的。 马氏体钢 异 种钢 接 头 在在 焊 接 后应 缓冷 到 1 0 0～1 5 0 c 【 并保温 ， 以保 证马 氏体充分转化 ， 然后 进行热处理 ， 热处理温度保证不超过合金含量低一 侧的相变温度 A C 1 。 4 ． 5 焊 接工 艺评定 在工艺确定的情况下， 为确保质量 ， 施焊前进行 焊接工艺评定并在焊接工艺评定的基础上制定焊接 作业指导书 ， 也是非常必要的。 4 ． 6 及时进行监督检验 异种钢接头应该列为金属监督检查 的重点部 位 ， 尤其是应力较大或在高温区长期工作的异种钢 接头存在早期损坏的可能 ， 随机组大小修进行外观 检验或无损探伤及金相检验都是十分必要的 。 5 结束语 经过多年的研究和实践 ， 异种钢焊接的问题 已 经初步 得 到解决 。在 实 践 中严 格按 照 D L 7 5 2 2 0 0 1 火力发 电厂异种钢焊接技术规程中的要点 制订施焊工艺 ， 就可获得满意的效果。 参考 文献 [ 1 ] D L 7 5 2 2 o 0 1 ， 火力发电厂异种钢焊接技术规程[ S ] ． 编辑 白银 雷 作者简介 侯 世勇 1 9 7 2 一 ， 男 ， 内蒙古乌兰察布人 ， 内蒙古 华电包头发 电 有限公司高级 工程师 ， 从事 电厂金属监督 及锅炉 压力 容器监督 管理 工作 谢步兴 1 9 7 5 一 ， 男 ， 山西太原人， 内蒙古岱海发 电有 限责任公 司助理工 程师 ， 从事 电厂管道检修管理 工作。 来稿 中插 图的格式和要求 1 ． 插图应具有 自明性 ， 只看 图， 不阅读正文 ， 即 可 理解 图意 。 2 ． 稿 件 中的 各 类 图、 表要 求 以 可 编辑 格 式 插入 。 3 ． 插图需 提交一 份独立 的电子 图稿 ， 以备制 版。电子文件要求 1 插图需放在文 中引用的相应位置 ， 并按 出 现的先后次序顺序编号 ， 图下应注明图号 、 图题 和 图注 。 2 文档格式 ． d x f ， ． d w g ， ． e p s 等矢量图格式。 3 图和照片的宽度一般不超过 7 e m， 复杂 图 形需通栏排的宽度不超过 1 6 c n q _ 。 4 图中纵 横坐标 上应标 出所测 的参数 或变 量 ， 以及计量单位 国家法定计量单位 和尺度。符 号定义和文字说明应简单明了。 5 图中线条应清晰 、 曲线光滑， 扫描的图片应 不低于 6 0 0线扫描 。 6 因为刊物 以黑 白方式印刷 ， 所 以不要使 用 彩色文字或图表。如果将多条 曲线画在同一 幅图 中， 请 以不同的线型或符号表示 ， 以便辨识 。 4 ． 请作者在稿件 中注明 自己的 E m a i l 地址 ， 以 便编辑部与作者联系 ， 商讨有关事宜。