王立玉

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力建設(shè)第一工程有限公司，江蘇 南京 210001）

隨著電站鍋爐向高參數(shù)、大容量、高效率方向發(fā)展，很多國(guó)家都在開展700℃先進(jìn)超超臨界機(jī)組研究。700℃等級(jí)的先進(jìn)超超臨界機(jī)組對(duì)耐熱材料的性能提出了更高要求，傳統(tǒng)超超臨界機(jī)組使用的奧氏體鋼已不能滿足700℃等級(jí)的先進(jìn)超超臨界機(jī)組高溫部件的使用要求，必須開發(fā)出能夠在700℃～750℃長(zhǎng)期穩(wěn)定服役的耐熱材料[1]。C-HRA-1 是我國(guó)自主研發(fā)的50Ni-25Cr-20Co-Al-Ti-Nb 鎳基高溫合金，其750℃、1.0×105h 下的持久強(qiáng)度目標(biāo)值為≥100MPa，其目標(biāo)是達(dá)到或超過國(guó)外同類型Inconel 740H 鎳基高溫合金的指標(biāo)，是潛在的700℃超超臨界機(jī)組鍋爐高溫過熱器、再熱器以及集箱和主蒸汽管道用候選材料[2]。

我國(guó)700℃試驗(yàn)研究項(xiàng)目在某電廠掛管試驗(yàn)平臺(tái)上也選用了C-HRA-1 鎳基合金材料，因此，對(duì)其焊接性進(jìn)行研究并制定可靠的焊接工藝，對(duì)應(yīng)用于工程實(shí)際是非常必要的。

1 焊接性分析

C-HRA-1 鎳基合金的名義成分(wt%)為：C：0.03，Cr：4.5，Co：20.35，Mo：0.3，A1：1.47，Ti：l.27，Nb ：l.26，Mn：0.02，F(xiàn)e：0.1，Si：0.05，B：0.001，Ni：Bal。由于C-HRA-1 鎳基合金固液相溫度間距小，熔融態(tài)流動(dòng)性差，焊接時(shí)如果工藝措施不當(dāng)，在快速冷卻結(jié)晶條件下，容易產(chǎn)生氣孔。另外，因合金成分與組織原因，加上合金線膨脹系數(shù)大，焊接時(shí)易產(chǎn)生較大的應(yīng)力，焊縫結(jié)晶時(shí)低熔點(diǎn)共晶在收縮應(yīng)力作用下易產(chǎn)生熱裂紋。

針對(duì)可能產(chǎn)生的焊接缺陷，在制定焊接工藝應(yīng)采取針對(duì)性預(yù)防措施：①注意焊前清理，避免氧化物和油污產(chǎn)生氣孔；②保持穩(wěn)定的電弧電壓，弧長(zhǎng)盡量短；③采用小的焊接電流，減小焊接熱輸入，控制層間溫度；④填滿收弧弧坑，防止弧坑裂紋。

2 焊接工藝試驗(yàn)

2.1 試件材質(zhì)與規(guī)格

選用小徑管做焊接工藝試驗(yàn)，管子規(guī)格為Ф33.7×7.1mm，采用相同的工藝焊接三個(gè)試件。

2.2 焊接方法

手工鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊（GTAW）打底、填充和蓋面。

2.3 焊接位置

45°固定（6G）。

2.4 坡口形式

采用V 形坡口，坡口角度為單邊 35°，鈍邊為0.5-1mm，坡口間隙2.5-3.5mm，如圖1 所示。

圖1 坡口形式

2.5 焊接工藝參數(shù)

焊接選用與母材成分相匹配的專用焊絲，焊接打底一層、填充一層、蓋面一層共三層，每層的焊接電流、電弧電壓、焊接速度等工藝參數(shù)范圍見表1。

表1 焊接工藝參數(shù)

2.6 保護(hù)氣體及流量

焊槍用氬氦混合氣體(75%Ar+25%He)，流量8-10L/min，背面保護(hù)用純氬氣體，流量6-8L/min。

2.7 施焊技術(shù)

焊前清理徹底，坡口及施焊區(qū)域兩側(cè)20mm 范圍內(nèi)呈現(xiàn)金屬光澤，采用酒精清洗坡口面；單面焊雙面成形，小擺動(dòng)連弧焊，短弧操作；適當(dāng)增加在兩側(cè)坡口邊緣處停留時(shí)間，確保熔合良好；用不銹鋼專用砂輪片層間打磨，氧化膜去除干凈；焊絲頭如有氧化必須剪除；控制層間溫度不超過150℃；收弧填滿，不能有弧坑。

焊接時(shí)采用提前送氣與滯后停氣，增加電流衰減時(shí)間，焊接完成后繼續(xù)送氣，直至焊縫金屬冷卻（顏色由紅變暗）。

2.8 焊后熱處理

試件焊接完成后自然冷卻到室溫，然后整體放進(jìn)熱處理爐升溫進(jìn)行熱處理，升溫速度不大于200℃/h，升溫至800±10℃后保溫5 小時(shí)，然后空冷降溫至室溫。

2.9 檢驗(yàn)與試驗(yàn)

對(duì)三個(gè)焊接試件按DL/T868-2014《焊接工藝評(píng)定規(guī)程》的規(guī)定進(jìn)行檢驗(yàn)與試驗(yàn)[3]。外觀檢查合格，未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合、夾渣、弧坑、氣孔、咬邊等缺陷；按照DL/T821-2017《金屬熔化焊對(duì)接接頭射線檢測(cè)技術(shù)和質(zhì)量分級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行射線檢測(cè)，焊縫質(zhì)量合格，未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有超標(biāo)缺陷；按照GB/T2651-2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度合格，斷在焊縫處，結(jié)果見表2。

表2 焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

按照GB/T2653-2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》進(jìn)行面彎和背彎試驗(yàn)，在焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)任何方向上未發(fā)現(xiàn)開裂缺陷，彎曲試驗(yàn)合格，結(jié)果見表3。

表3 焊接接頭彎曲試驗(yàn)結(jié)果

按照DL/T884-2004《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)焊接接頭進(jìn)行微觀金相檢驗(yàn)，微觀金相的焊縫、母材、熱影響區(qū)組織均為奧氏體+碳化物+析出物，未發(fā)現(xiàn)異常組織和其它缺陷，顯微組織見圖2 所示。

圖2 焊接接頭微觀金相組織

3 現(xiàn)場(chǎng)焊接實(shí)踐

在我國(guó)700 ℃試驗(yàn)研究項(xiàng)目某電廠掛管試驗(yàn)平臺(tái)上有Ф33.7×7.1mm 和Ф44.5×10mm 兩種規(guī)格的C-HRA-1 鎳基合金材料。為了保證現(xiàn)場(chǎng)安裝焊口質(zhì)量，在取得了焊接工藝試驗(yàn)與評(píng)定合格基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)具體情況制定了科學(xué)合理的焊接方案。

3.1 焊工培訓(xùn)與考核

從事現(xiàn)場(chǎng)焊接的焊工首先要有不銹鋼管的焊接經(jīng)驗(yàn)并持有不銹鋼小徑管氬弧焊（GTAW）焊接操作證，然后進(jìn)行氬弧焊方法用鎳基焊絲焊接奧氏體不銹鋼小徑管培訓(xùn)，技能操作熟練后，按照TSG Z6002-2010《特種設(shè)備焊接操作人員考核細(xì)則》的規(guī)定考核合格。上崗前焊工再進(jìn)行一次模擬練習(xí)，試件材質(zhì)、規(guī)格、焊接工藝參數(shù)等全部與正式焊接時(shí)相同，拍片合格后方可上崗。

3.2 焊接工藝

現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)Ф33.7×7.1mm 管子焊接我們完全采用了上述工藝試驗(yàn)時(shí)的焊接工藝；Ф44.5×10mm 管子焊接與Ф33.7×7.1mm管子相比，除了增加填充層數(shù)，一層打底、三層填充、一層蓋面共五層外，其它工藝參數(shù)與施焊技術(shù)基本相同。

3.2 熱處理工藝

與工藝試驗(yàn)時(shí)的熱處理不同的是，現(xiàn)場(chǎng)焊接后的熱處理采用的是自動(dòng)控溫設(shè)備、局部電加熱法。用履帶式電加熱器包扎對(duì)接焊縫，管子對(duì)接焊縫位于加熱器包扎環(huán)帶中心，包扎范圍為：環(huán)帶寬度超出管子對(duì)接焊縫中心線各100mm，控溫?zé)犭娕贾糜诤缚p中心；電加熱器外采用硅酸鋁保溫毯保溫，且覆蓋范圍超出電加熱器邊緣100mm，保溫層厚度80mm。熱處理綁扎及熱電偶布置示意如圖3 所示。

圖3 熱處理綁扎及熱電偶布置示意圖

熱處理保溫溫度800±10℃，兩種規(guī)格管子的保溫時(shí)間均為5 小時(shí)，300℃以下升溫速度不控制，300℃以上升溫速度不大于200℃/h，保溫完成后空冷。

熱處理后對(duì)焊接接頭進(jìn)行外觀檢查、滲透檢測(cè)與射線檢測(cè)，結(jié)果均合格，并在后續(xù)的運(yùn)行試驗(yàn)中狀態(tài)穩(wěn)定。

4 結(jié)語

C-HRA-1 鎳基合金小徑管選用與母材成分相匹配的專用焊絲，采用手工鎢極氬氦混合氣體保護(hù)電弧焊方法，執(zhí)行預(yù)防氣孔、裂紋等缺陷施焊技術(shù)措施，焊后經(jīng)800℃高溫?zé)崽幚砗?，焊接接頭質(zhì)量與性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施焊時(shí)加強(qiáng)焊工技能培訓(xùn)，并針對(duì)性模擬練習(xí)，是焊接質(zhì)量的重要保證。