电站用奥氏体不锈钢焊接

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1、前言
随着火力发电站参数的不断提搞，奥氏体不锈纲在电站传统领域，如化学系统管道、热工仪表管、热交换器管等系统广泛应用的同时，还在锅炉高温过热器和高温再热器管中得到广泛应用，由此而引出的奥氏体不锈钢管的焊接问题，在电站设备安装和检修中是累见不鲜，人们往往由于对奥氏体不锈钢的认识不足，对其焊接性能不甚了解，造成一些焊接缺陷，导致具有寿命优势的奥氏体不锈钢管早期失效。
2、电站常用奥氏体不锈钢
奥氏体不锈钢是在铬含量为18%的铁素体型不锈钢中加入Ni、Mn、N等奥氏体形成元素而获得的钢种系列，在电站管道中常用的有18-8型（TP304）、18-12型（TP347、TP316）、25-20型（TP310）等。它之所以在电站管道应用较广，是因为奥氏体不锈钢具有优良的耐腐蚀性能，有比铁素体/珠光体钢更好的抗高温氧化性能，同时还有优良高温热强性能。
但由于奥氏体不锈钢的物理性能与低碳钢和低合金钢相比有很大差异，如奥氏体不锈钢的导热率只有低碳钢的三分之一，线膨胀系数比低碳钢高约50%，有晶间腐蚀倾向，成本高等，所以，奥氏体不锈钢在锅炉受热面管上未被大量使用，同时也因为这些不足，给焊接工作带来了一些不利影响。
3、奥氏体不锈钢的焊接性能
奥氏体不锈钢比其他不锈钢更容易焊接，不因温度变化发生相变，对氢脆不敏感，在焊态下奥氏体不锈钢接头也有较好的塑性和韧性。焊接的主要问题：易产生焊接热裂纹、脆化、晶间腐蚀、应力腐蚀、表面氧化，此外，因其导热性能差、线膨胀系数大，所以焊接应力和焊接变形较大。
3.1 焊接热裂纹
奥氏体不锈钢较一般结构钢易产生焊接热裂纹，焊缝的金相组织、化学成分和焊接应力是导致焊接接头产生热裂纹的主要原因。奥氏体稳定性好，对硫、磷等杂质敏感，且与一些极限溶解度小的元素，如铝、硅、钛、铌等，易形成低熔点共晶体，使金属的实际凝固点温度下降，从而増大结晶温度区间；奥氏体导热率低、线膨胀系数大，在焊接过程中易形成较大的焊接拉应力；单相奥氏体焊缝易形成方向性强的粗大柱状组织，有利于上述杂质和元素的偏析，从而形成连续的晶间液态夹层。这些因素表明单相奥氏体不锈钢焊接接头呈现较大的热裂纹敏感性。
合金成分和金相组织是产生热裂纹的“内因”，焊接应力是引起热裂纹的重要的“外因”，奥氏体钢导热率低，线膨胀系数大，在焊接热循环的作用下，焊缝在凝固过程中易形成较大的焊接内应力，为热裂纹的产生创造了力学条件。焊接工艺是产生热裂纹的另一个“外因”，为了避免焊缝枝晶粗大，以致增大偏析，应尽量采用小的热输入量、不预热、降低层间温度，另外，合理的坡口设计和焊接顺序、减少接头拘束力，都有利于降低焊接应力，防止焊接热裂纹。
3.2 晶间腐蚀
奥氏体不锈钢焊接接头晶间可能发生在焊缝区、熔合区，也可能发生在热影响区的敏化区（600~1000℃）。在焊缝区，多层多道焊的前一层焊接热影响区达到敏化温度的区域，在晶界容易析出铬的碳化物，形成贫铬的晶粒边界，若该区域正好露在焊缝表面，并与腐蚀介质接触，则会发生晶间腐蚀，防止焊缝区晶间腐蚀方法包括选用超低碳的焊接材料和含有Ti、Nb等稳定化元素的焊接材料，调整焊缝成分，使奥氏体焊缝中获得少量的δ相，利用δ相散布在奥氏体晶粒边界上来阻隔形成连续的贫铬层。热影响区的敏化区晶间腐蚀产生的原因也晶界容易析出铬的碳化物，形成贫铬的晶粒边界所致，可以通过采取低的焊接线能量，快速通过敏化温度区的方式来避免产生热影响区晶间腐蚀。熔合区的晶间腐蚀通常只发生在含有Ti、Nb合金的奥氏体不锈钢中，主要原因也是在晶界M23C6沉淀而形成贫铬层所致，可以采用超低碳焊材、小的焊接线能量来避免熔合区的晶间腐蚀。
3.3 应力腐蚀
奥氏体不锈钢焊接接头对应力腐蚀比较敏感，因为它的导热率小、线膨胀系数大，焊后存在较大的焊接残余应力，为应力腐蚀开裂创造了必要条件。减少焊接残余应力的影响，对电站不锈钢管道或构件而言，退火处理是不可取的，只能通过工艺手段加以控制，如采用窄坡口、小的线能量、控制层间温度、对称施焊等。
3.4 焊接接头的脆化
前面说过，为了避免镍含量较低（Ni<15%）的奥氏体不锈钢产生焊接热裂纹，通常希望通过选择焊材来使焊缝出现少量的δ相，当δ相较多时，就会出现脆化现象，这主要是由于焊缝中的δ相在高温下析出而脆化，为了确保焊缝的塑性和韧性，研究表明，长期在高温状态下工作的奥氏体不锈钢焊缝中所含的δ相的体积比应小于5%。
3.5 焊接接头表面氧化
奥氏体不锈钢接头中有多种合金元素，在焊接过程中，如果对熔池及高温成型区保护不好，将引起合金元素的氧化，铬等合金元素的氧化使焊缝表面出现贫铬区，加剧焊缝晶间腐蚀，由于表面合金氧化物很脆，运行过程中易脱落，严重影响表面成型，在应力的作用下很容易发生应力腐蚀。
4、奥氏体不锈钢焊接工艺
电站奥氏体不锈钢多用于壁厚一般不超过6mm的压力管道及管件，且焊口分散，在制订焊接工艺时，应同时考虑质量、实用性和经济因素。
4.1 焊接方法
手工钨极氩弧的氩气保护效果好，合金元素过渡系数高，焊缝成分易于控制，同时由于氩弧焊热量集中、热影响区窄，晶粒长大倾向小，加上良好的氩气冷却效果，焊缝成型好，可进行全位置焊接，氩弧焊对对口质量、环境要求较高，易于保证焊接质量，所以电站不锈钢压力管道对接焊口通常采用手工钨极氩弧焊；而对于厚度不等的插接式角接接头，为了保证熔合效果，通常采用热量不是特别集中、热影区稍大的手工电弧焊。
4.2 焊接材料选用
焊接材料通常根据奥氏体不锈钢材质、工作条件（温度和介质）、焊接方法来选择，原则上选用使焊缝金属成分与母材相同或相近的焊接材料，同时考虑以下因素：
4.2.1 由于焊缝含碳量对其耐腐蚀性能影响较大，因此，尽量选用含碳量较低的焊接材料，以确保熔敷金属的含碳量不高于母材。
4.2.2 对锅炉过热器、再热器管等工作在高温条件下的奥氏体不锈钢，在保证焊缝金属具有与母材化学成分相近的同时，选择含有钼、钨、锰等提高热强性和抗裂性合金的焊接材料。
4.2.3 对于化水系统输送盐酸、硫酸、盐类水溶液等酸性介质的奥氏体不锈钢管，选用焊接材料除了保证与母材相近的铬镍含量外，还应考虑含有适量的钼、铜元素，以提高焊缝的耐腐蚀性。
4.2.4 对于要求具有双相奥氏体组织的不锈钢焊缝，因含有一定量的铁素体，宜选用焊接工艺性能好的钛型或钛钙型药皮的焊条；对于要求具有单相奥氏体组织的不锈钢焊缝抗裂性能较差，宜选用碱性药皮的奥氏体钢焊条。
4.2.5 在电站热力设备中，珠光体耐热钢与奥氏体不锈钢形成的异种钢接头比较常见，如锅炉受热面管、热工仪表取样测试管等，由于化学成分和金相组织差异，根据舍夫勒-德龙组织图，选择与任何一侧成分相近或介于两者之间的焊接材料焊接，均会在非奥氏体钢熔合线附近形成较宽的脆化过渡层（以马氏体组织为多），严重影响接头的抗裂性能，如果选用镍基合金为填充材料，由于大大提高了奥氏体形成元素镍的含量，将显著减小脆化过渡层的宽度，改善接头的抗裂性能。照片二是1Cr18Ni9Ti与2Cr1MoV钢采用ENiCrFe-1焊材焊接的异种钢接头2Cr1MoV钢侧熔合线附近的组织状态，未见马氏体组织。



照片一 照片二 照片三
4.3 焊接工艺要点
4.3.1 正确选择焊材直径
焊接材料的直径关系到焊接热输入量的大小，电站不锈钢管由于壁厚较小，通常电焊选用2.5mm直径的焊条，氩弧焊选用2.4mm直径的焊丝。
4.3.2 焊接参数的选择
正如前文所述，奥氏体不锈钢焊接线能量直接影响到接头的抗裂性能、耐腐蚀性能、焊接变形等，因此，电站不锈钢管焊接时，在保证完全焊透、完全熔合的情况下，尽量采用小电流、低电压（短弧焊）焊接，以减少热输量，改善接头性能，减少焊接变形。下表为电站奥氏体不锈钢焊接常用的手工电焊和TIG焊的焊接推荐参数。
焊材 推荐电流(A) 推荐弧长（mm） 焊接速度(cm/min) 氩气流量(L/min)
Ф2.5mm的焊条 60～８０ ２～３ １５～２０ /
Ф2.4mm的焊丝 １００～１３０ １～３ １０～１５ ７～１０
4.3.3 工作场所的要求
电站现场施工环境较差，而奥氏体不锈钢焊缝受到油、锈、水、风、灰等外来因素的影响将使其耐蚀性和强度变差，所以，焊前必须对焊接区及附近表面进性彻底清理，室外焊接采取必要的防风挡雨措施，炉内焊接必须吹扫周围灰尘，氩弧焊焊丝表面清理无污物，层间彻底清渣。
4.3.4施焊要求
选用电弧焊时，焊条必须烘干并存放在保温桶内备用。
焊接过程中，采用直线运条，不作横向摆动，大直径管道采用双人对称施焊；多层焊接时，层间温度不宜过高，可待冷至60℃以下清渣后再进行焊接，层间接头错开，收弧一定要填满。
4.3.5 充氩保护
电站压力管道对接焊缝均要求进行氩弧焊打底，如果内壁不进行充氩保护，将使焊缝内表面的铬等合金元素氧化，影响接头质量，照片三是未充氩保护接头根部的氧化层组织形态。管道内部充氩保护通常有两种方法，一是置换充氩，它是将管子两端封堵或在距焊接部位一定距离用水溶纸封堵（介质为汽/水的管道），用氩气将管内空气完成置换出来，这种方法主要用于小直径管和短管；另一种是背充保护，它是利用一根压扁的小管从对口间隙中伸到焊接部位的背面、以略小于正常氩弧焊的氩气流量，游动跟踪保护，这种方法主要用于直径较大的管子对接焊口。
5、结束语
由于奥氏体不锈钢焊接时易出现裂纹或诱发裂纹的组织缺陷，加上奥氏体不锈钢导热性能差、膨胀系数大、熔池的流动性差等不利于焊接的因素，因此，要求焊接奥氏体不锈钢的焊工进行专门培训考试，取得相应合格证方可上岗。有了技术熟练的焊工，采用适应性较强的手工电弧焊和手工钨极氩弧焊，选择合适的焊接材料和工艺参数，就可以保证电站奥氏体不锈钢管及管件的焊接质量，保证了焊接质量，奥氏体不锈钢的寿命优势就能得到充分发挥。