國內(nèi)外合金鋼創(chuàng)新焊接技術(shù)及不預(yù)熱焊條的研發(fā)應(yīng)用

在電站鍋爐焊接生產(chǎn)實(shí)踐過程中，出現(xiàn)了許多焊接耐熱合金鋼的特殊焊接質(zhì)量問題，通過焊接基本原理分析，發(fā)現(xiàn)了許多可以解決上述焊接質(zhì)量問題的新方法，實(shí)際應(yīng)用效果比較好。為此，本文重點(diǎn)介紹一些電站設(shè)備制造廠焊接耐熱合金鋼的焊接新工藝和創(chuàng)新焊接技術(shù)。

　　為了便于敘述，本文將優(yōu)化焊接結(jié)構(gòu)、焊材、焊后工藝、焊接操作、焊接熱規(guī)范、焊後熱處理等新方法和技術(shù)措施統(tǒng)稱為創(chuàng)新焊接技術(shù)。創(chuàng)新焊接技術(shù)可以用于防止焊接裂紋，提高焊接接頭沖擊韌度，提高焊接接頭的使用性能，提高焊接接頭使用壽命，防止焊接接頭高溫長期運(yùn)行早期失效。

　　1 國外焊接新工藝試驗(yàn)

　　目前國外呈現(xiàn)很多應(yīng)用于加氫反應(yīng)器、電站鍋爐用新型耐熱鋼等方面的焊接新工藝試驗(yàn)，本文以德國蒂伯公司在這兩方面的焊接新工藝試驗(yàn)為例簡要介紹。

　　1.1 德國蒂伯公司制造加氫反應(yīng)器設(shè)備用2.25Cr-1Mo鋼的焊接新工藝

　　在加氫反應(yīng)器設(shè)備制造過程中，特別重視焊接接頭的沖擊韌度和回火脆化問題，德國蒂伯公司已經(jīng)開發(fā)出了高韌性焊接材料和焊接方法，正在開發(fā)降低焊后熱處理溫度、提高焊縫沖擊韌度的焊接新方法和焊接新工藝，其中焊接新工藝可以顯著降低焊後熱處理溫度，而且保持比較高的焊縫低溫沖擊韌度，采用焊接新工藝可以進(jìn)一步提高2.25Cr-1MoV鋼的焊縫沖擊韌度，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，還可以顯著提高焊縫低溫沖擊韌度，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度。盡管焊後熱處理溫度降低40℃，仍然具有比較高的沖擊韌度和比較低的脆性轉(zhuǎn)變溫度。

　　1.2 德國蒂伯公司電站鍋爐用新型耐熱鋼的焊接新工藝

　　采用TIG方法焊接T/P23鋼的焊縫沖擊韌度比較高，即使不預(yù)熱，焊后不進(jìn)行熱處理的焊縫沖擊韌度也非常高。雖然經(jīng)過預(yù)熱焊接和焊後熱處理之后的SMAW和SAW焊縫沖擊韌度有所提高，但仍然大大低于TIG焊態(tài)的沖擊韌度。

　　與焊接T/P23鋼相似，采用TIG焊方法焊接T/P24鋼，焊縫和焊接熱影響區(qū)的沖擊韌度都比較高。適當(dāng)進(jìn)行焊後熱處理，可以顯著提高SMAW、SAW焊縫和焊接熱影響區(qū)的沖擊韌度。大口徑管焊接工藝評(píng)定試樣的焊縫和焊接熱影響區(qū)的沖擊韌度與母材的沖擊韌度相當(dāng)。

　　雖然焊接接頭性能和沖擊韌度都比較滿意，但是，國內(nèi)外焊接生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)證明，用T23、T24鋼制造水冷壁時(shí)容易發(fā)生焊接裂紋和再熱裂紋，T23懸吊管曾經(jīng)發(fā)生脆斷，必須引起重視。焊接試驗(yàn)和焊接生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)都說明，有必要進(jìn)一步開發(fā)T/P23、T/P24鋼的不預(yù)熱、不熱處理、無裂紋、高韌性創(chuàng)新焊接技術(shù)。

　　采用焊接新工藝之后，焊縫沖擊韌度有所提高，但是，SMAW，SAW焊縫的沖擊韌度仍低于GTAW和母材的沖擊韌度，還有待于開發(fā)創(chuàng)新焊接技術(shù)，進(jìn)一步提高焊縫和焊接熱影響區(qū)的沖擊韌度，以便達(dá)到母材的高水平?jīng)_擊韌度。

　　2 國內(nèi)創(chuàng)新焊接技術(shù)試驗(yàn)與應(yīng)用

　　上世紀(jì)70年代初，我國就已經(jīng)采用F11/F12馬氏體耐熱鋼制造電站鍋爐，最初采用國外焊接工藝，鍋爐制造和運(yùn)行過程中曾經(jīng)發(fā)生焊接裂紋、焊縫脆化、早期失效等許多焊接質(zhì)量問題。后來采用“創(chuàng)新焊接技術(shù)”焊接F11/F12鋼集箱、管道和小口徑管，效果非常好。主要?jiǎng)?chuàng)新焊接技術(shù)如下：

　　① 高匹配、不預(yù)熱焊接F11小口徑管（同種鋼和異種鋼）焊口，不產(chǎn)生焊接裂紋。

　?、?無內(nèi)保護(hù)的TIG打底焊，不產(chǎn)生內(nèi)部氣孔、裂紋、氧化和過燒。

　?、?可以顯著提高大口徑管對(duì)接焊口沖擊韌度的新技術(shù)，按原工藝焊接產(chǎn)品見證件的焊縫沖擊韌度<10J，采用創(chuàng)新焊接技術(shù)之后，焊縫沖擊韌度提高到>90J。

　?、?異種鋼焊口有明顯碳遷移，但是，蠕變試驗(yàn)和長期運(yùn)行后取樣分析證明，在高溫長期運(yùn)行條件下，脫碳層逐漸消失，不降低長期運(yùn)行蠕變斷裂強(qiáng)度和使用壽命，不發(fā)生發(fā)生早期失效。主蒸汽F11+15Cr1Mo1V異種鋼焊口爆管的失效分析結(jié)果證明，爆管的主要原因與脫碳層無關(guān)，異種鋼焊口爆管的真正原因是再熱裂紋和結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中。

　　⑤ 上海鍋爐廠有十多臺(tái)300MW電站鍋爐采用F11馬氏體耐熱鋼，采用創(chuàng)新焊接技術(shù)之后，全部F11焊口在鍋爐制造廠施工過程中未再發(fā)現(xiàn)焊接氣孔和焊接裂紋。焊接見證件的力學(xué)性能、沖擊韌度、焊接接頭硬度都非常滿意。

　?、?采用創(chuàng)新焊接技術(shù)可以顯著提高鍋爐廠焊口的壽命，安全運(yùn)行30年無事故，未發(fā)生焊接質(zhì)量事故。采用國外焊接技術(shù)焊接的異種鋼焊口中，已有十多個(gè)F11異種鋼焊口運(yùn)行2萬-8萬h發(fā)生斷裂或者泄漏。

　　上海鍋爐廠原采用國外焊接工藝達(dá)不到產(chǎn)品焊接技術(shù)要求，多次發(fā)生焊接裂紋，產(chǎn)品見證件的沖擊韌度<10J。后來進(jìn)行26次焊材和焊接工藝評(píng)定對(duì)比試驗(yàn)，均證明“創(chuàng)新焊接技術(shù)”優(yōu)于當(dāng)時(shí)外國公司提供的焊接工藝。

　　3 不預(yù)熱焊條的開發(fā)與應(yīng)用

　　根據(jù)F11/F12鋼的焊接經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)出多種可以不預(yù)熱焊接電站鍋爐用鋼的電焊條（J507L、J507MoWV、R307L、R317L、R407L、R817L），其中應(yīng)用比較多的是J507L焊條和不預(yù)熱焊接12Cr1MoV鋼的R317L焊條。

　　采用R317L焊條，焊縫和熱影響區(qū)的沖擊韌度都比較高，即使不預(yù)熱不熱處理焊接，焊縫和焊接熱影響區(qū)的沖擊韌度也能達(dá)到相關(guān)焊接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，特別值得注意的是焊接熱影響區(qū)的焊態(tài)沖擊韌度非常高。

　　三種類型焊接工藝評(píng)定的焊縫常溫機(jī)械性能區(qū)別不太大，沖擊韌度有比較大的區(qū)別。采用創(chuàng)新焊接技術(shù)之后，焊縫和焊接熱影響區(qū)沖擊韌度有顯著提高，焊接熱影響區(qū)沖擊韌度可以達(dá)到母材沖擊韌度的相同水平?！　∮珊附庸に囋u(píng)定試驗(yàn)結(jié)果可見，焊接工藝評(píng)定試樣相同，焊接工藝、化學(xué)成分、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、冷彎角、硬度、金相組織均無明顯差別，但是焊縫和焊接熱影響區(qū)沖擊韌度有顯著差別（兩者焊縫的沖擊韌度相差4-5倍，焊接熱影響區(qū)的沖擊韌度相差30%）。由此可見，創(chuàng)新焊接技術(shù)對(duì)焊縫的沖擊韌度的影響非常大，對(duì)焊接熱影響區(qū)的沖擊韌度也有一定的影響。特別值得注意的是母材、焊縫、熱影響區(qū)的硬度和沖擊韌度非常均勻。

　　以上焊接實(shí)例充分說明，在電站鍋爐制造過程中，采用創(chuàng)新焊接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下：

　?、?可以不預(yù)熱焊接，不產(chǎn)生焊接裂紋。

　?、?可以顯著提高焊縫和焊接熱影響區(qū)的沖擊韌度。

　?、?可以實(shí)現(xiàn)耐熱鋼不熱處理焊接。

　　④ 可以顯著提高耐熱鋼焊接接頭的高溫運(yùn)行壽命。

　　4 試驗(yàn)小結(jié)

　　隨著控軋控冷鋼、微合金化鋼、低碳馬氏體鋼、低碳貝氏體鋼、新型馬氏體耐熱鋼的出現(xiàn)，鋼材強(qiáng)度、焊接性和沖擊韌度有了顯著提高，相比之下，焊接技術(shù)、焊接試驗(yàn)方法和焊接基本理論都比較落后，盡管嚴(yán)格加強(qiáng)焊接管理，也有時(shí)發(fā)生焊接裂紋和焊接接頭早期失效，急待開發(fā)和應(yīng)用創(chuàng)新焊接技術(shù)。

　　在焊接生產(chǎn)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)了可以解決合金鋼焊接質(zhì)量難題的新途徑，開發(fā)一系列創(chuàng)新焊接技術(shù)，可以顯著降低焊接裂紋敏感性，提高焊縫和焊接熱影響區(qū)的沖擊韌度和蠕變斷裂強(qiáng)度，從而杜絕服役過程中焊縫和焊接熱影響區(qū)發(fā)生早期失效。

　　創(chuàng)新焊接技術(shù)具有擴(kuò)散氫低、焊接應(yīng)力低、焊縫金相組織細(xì)化、蠕變斷裂強(qiáng)度高、焊縫和焊接熱影響區(qū)的硬度低等特點(diǎn)。即使是最難焊接F11/F12馬氏體耐熱鋼，采用創(chuàng)新焊接技術(shù)之后，在焊接生產(chǎn)過程中也未再發(fā)現(xiàn)焊接裂紋，焊接接頭近30年服役過程中未發(fā)生早期失效，甚至不預(yù)熱/不熱處理焊接的厚壁集箱管座角焊縫，也具有非常高的抗沖擊脆斷性能。

　　采用創(chuàng)新焊接技術(shù)焊接F11/F12與珠光體耐熱鋼的異種鋼焊口，雖然有明顯的碳遷移，但是，在焊接生產(chǎn)和服役過程中，未發(fā)現(xiàn)焊接裂紋和早期失效。

　　試驗(yàn)表明：創(chuàng)新焊接技術(shù)不僅適用于耐熱鋼，也適用于其他合金鋼焊接。

　　5 建議

　　建議開展以下創(chuàng)新焊接新技術(shù)應(yīng)用課題研究：

　?、?合金鋼焊接新技術(shù)的研究與應(yīng)用（開發(fā)超低氫、無裂紋、組織細(xì)化、低硬度、高韌性、高溫運(yùn)行“不失效”的焊接新材料和新工藝）；

　?、?1%-12%Cr耐熱鋼的不預(yù)熱、不熱處理的焊接新技術(shù)研究與應(yīng)用；

　?、?低合金結(jié)構(gòu)鋼、高強(qiáng)鋼不預(yù)熱/不熱處理的焊接新技術(shù)研究與應(yīng)用；

　　④ 低合金結(jié)構(gòu)鋼、耐熱鋼的“高韌性”焊接新技術(shù)研究與應(yīng)用；

　　⑤ 異種耐熱鋼焊接新技術(shù)研究與應(yīng)用；

　　⑥ 耐熱鋼焊接接頭“無早期失效”的焊接新技術(shù)研究與應(yīng)用；

　　⑦ 焊接裂紋、異種鋼碳遷移、組織脆化、沖擊韌度、焊接接頭早期失效的機(jī)理分析?！　?/span>

　　6 展望

　　隨著國外鋼材和焊接技術(shù)的發(fā)展，我國焊接技術(shù)也有了迅速提高，新型耐熱鋼的大量應(yīng)用，積累了許多寶貴的焊接經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了許多創(chuàng)新焊接技術(shù)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一些焊接新問題，例如主蒸汽管道微裂紋和早期失效、Ⅳ型蠕變裂紋、T23膜式壁焊接裂紋和焊接脆化、集箱焊縫表面裂紋、焊接接頭脆化和早期失效、密封罩、熱電偶管座焊縫早期失效等焊接新問題，需要焊接工作者采用創(chuàng)新焊接技術(shù)加以解決。