董鐵山

中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)湖南火電建設(shè)有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410000

在鋼中增加Cr含量可有效改善抗氧化性和抗腐蝕性，但諸如18-8型奧氏體不銹鋼低于310之類鋼的高溫強(qiáng)度，因σ相沉積而產(chǎn)生的韌性問(wèn)題導(dǎo)致σ相沉積增加了鎳含量，從而加大煉鋼成本。另外，間隙元素氮與碳在鋼中的可溶度碳卻沒氮高，當(dāng)鋼中Cr含量達(dá)到25%時(shí)，氮能達(dá)到最大溶解度。因此，要改善材料的高溫強(qiáng)度，穩(wěn)定奧氏體相需增加鋼中氮含量。另外，微細(xì)的NbCrN氮化物沉積于基體，可以助于含氮的18-8奧氏體不銹鋼的強(qiáng)化。為此，試驗(yàn)研究了鈮、鎳和氮對(duì)其組織穩(wěn)定性和高溫強(qiáng)度的影響，針對(duì)含25%Cr的奧氏體不銹鋼，開發(fā)出用于過(guò)熱器的新型奧氏體不銹鋼管—HR3C。

1 HR3C鋼的化學(xué)成分和性能

HR3C鋼的化學(xué)成分及性能分別如表1、表2、表3所示。

表1 HR3C鋼的化學(xué)成分

表2 HR3C鋼的常溫力學(xué)性能

表3 HR3C鋼的許用應(yīng)力

基于奧氏體不銹鋼的本質(zhì)來(lái)說(shuō)，HR3C鋼有焊接熱裂紋敏感性。因此，施焊不能有過(guò)度的熱輸入。

2 HR3C鋼焊接性分析

2.1 熱裂紋傾向嚴(yán)重

HR3C鋼為改良型奧氏體不銹鋼，鋼中Cr、Ni元素含量較高，同時(shí)含有較多的合金元素，使得熔池液態(tài)金屬流動(dòng)性變差。結(jié)合奧氏體不銹鋼的物理特性，熱導(dǎo)率低、線膨脹系數(shù)大，因此在焊接局部加熱和冷卻條件下，焊接接頭部位高溫停留時(shí)間較長(zhǎng)，焊縫金屬及近縫區(qū)在高溫承受較高的拉伸應(yīng)力與拉伸應(yīng)變的作用下極易產(chǎn)生裂紋。

2.2 焊接接頭的耐蝕性

（1）晶間腐蝕。晶間腐蝕是奧氏體不銹鋼的一種最危險(xiǎn)的破壞形式。其產(chǎn)生原因?yàn)椋涸?50～850℃范圍內(nèi)，C和Cr易在奧氏體晶粒邊界處形成金屬鍵化合物碳化鉻，如(CrFe)23C6等，從而使晶粒邊界處Cr含量減少。當(dāng)晶界處Cr降低到小于12%時(shí)，就形成所謂的“貧鉻區(qū)”。在腐蝕介質(zhì)作用下，貧鉻區(qū)會(huì)失去耐腐蝕能力而產(chǎn)生晶間腐蝕。因此，在焊接工藝上，應(yīng)采用較小的焊接熱輸入，加速冷卻速度。

（2）應(yīng)力腐蝕開裂。HR3C奧氏體不銹鋼焊接接頭的應(yīng)力腐蝕開裂是焊接接頭較嚴(yán)重的失效形式，它是應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用的結(jié)果。由于奧氏體不銹鋼熱導(dǎo)率低及膨脹系數(shù)大的特點(diǎn)，故焊接后焊接接頭常產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，如接頭處遇腐蝕介質(zhì)局部濃度提高，可使焊接接頭產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，所以在焊接時(shí)須采取合理的預(yù)防措施。

3 焊接工藝

（1）焊接材料：焊絲ERNiCr-3φ2.4。（2）HR3C鋼焊口規(guī)格：φ60.32×4.66。（3）焊接方法：全氬弧焊。（4）焊件坡口型式如圖1所示。

圖1 焊件坡口型式

（5）焊接位置：6G。

（6）焊接工具、設(shè)備：

① 電焊機(jī)型號(hào)為ZX7400S（TIG/SMAW兩用逆變直流焊機(jī)）。

② 角向磨光機(jī)。

③ 遠(yuǎn)紅外測(cè)溫槍，型號(hào)為：Raytak。

④ 鋼絲刷、榔頭、鏨子等工器具。

⑤ 接用焊機(jī)電流電壓表、氬氣流量計(jì)等在校驗(yàn)期內(nèi)，計(jì)量準(zhǔn)確。

（7）準(zhǔn)備：

① 焊接前期準(zhǔn)備：

（a）檢查坡口的情況，保障符合要求。

（b）清除表面臟污可見金屬光澤。

（c）焊工焊前進(jìn)行實(shí)操練習(xí)，以掌握母材、焊材和焊機(jī)的性能。

（d）焊前打磨坡口附近內(nèi)外壁30mm見金屬光澤，坡口內(nèi)去油去水及銹等雜物。

② 點(diǎn)固焊、對(duì)口裝配：

（a）試件對(duì)口間隙2～3mm，對(duì)口錯(cuò)邊量≤1.0mm。

（b）點(diǎn)固焊1點(diǎn)，點(diǎn)焊長(zhǎng)度≥10mm。

（c）選用規(guī)格為φ2.4的焊絲、焊接電流100A，電弧電壓9～11V。

（d）點(diǎn)固焊及正常施焊過(guò)程中不得在管子表面引弧、試驗(yàn)室，控制10～12L/min的流量向內(nèi)壁充氬至滿。

③ 焊接工藝參數(shù)如表4所示。

4 焊后檢驗(yàn)及力學(xué)性能試驗(yàn)

按照此焊接工藝完成的焊口經(jīng)無(wú)損檢驗(yàn)合格，符合DL/T 821—2002規(guī)程。

表4 焊接工藝參數(shù)

4.1 常溫彎曲試驗(yàn)

HR3C鋼焊接試驗(yàn)的彎軸直徑按照《焊接工藝評(píng)定規(guī)程》（DL/T 868—2004）要求取為試樣厚度的4.0倍。結(jié)果顯示，試樣內(nèi)外表面沒有出現(xiàn)任何形式的超標(biāo)裂紋，說(shuō)明此次HR3C鋼焊制6G位置的試件彎曲性能的技術(shù)要求是合格的。

4.2 常溫拉伸試驗(yàn)

HR3C鋼常溫拉伸的試樣斷在焊縫位置，抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果是675MPa，其規(guī)定最小值為655MPa，都是符合《焊接工藝評(píng)定規(guī)程》（DL/T 868—2004）中關(guān)于焊接工藝評(píng)定對(duì)試件抗拉強(qiáng)度的要求。故本次HR3C鋼6G位置焊制的試件常溫抗拉性能是合格的。

4.3 金相試驗(yàn)

HR3C鋼試件的宏觀金相分析中，宏觀上超標(biāo)的缺陷的情況并沒有發(fā)現(xiàn)，接頭的微觀組織均為奧氏體，試驗(yàn)結(jié)果顯示，焊接接頭各區(qū)域中沒有過(guò)燒、過(guò)熱及淬硬組織，符合《焊接工藝評(píng)定規(guī)程》要求。

5 結(jié)語(yǔ)

HR3C鋼焊接工藝須嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖龊檬┕み^(guò)程中細(xì)節(jié)，只有嚴(yán)格遵照科學(xué)地制定工藝規(guī)范，才能取得滿意的焊接接頭。HR3C為細(xì)晶粒奧氏體不銹鋼，須遵循小規(guī)范（小線能量輸入），多層多道焊接（薄層快速焊）的施焊原則，層間溫度不超過(guò)150℃。