孫咸

摘要：探討了工程應(yīng)用中HR3C鋼焊接材料的選用原則。結(jié)果表明，在工程條件下，HR3C鋼使用的焊接材料多為“異質(zhì)焊縫”型。選用優(yōu)質(zhì)、合適的焊接材料和優(yōu)化的焊接工藝，是控制和改善該鋼焊接性的重要技術(shù)手段。所謂異質(zhì)焊縫的“組織匹配”原則，即采用Ni-Cr-Co-Mo合金系的鎳基奧氏體焊縫，保證接頭獲得滿意的綜合使用性能（含高溫性能）和焊接性。工程上實(shí)用的工藝方法為GTAW，典型焊接材料的綜合性能指標(biāo)優(yōu)勢(shì)明顯。

關(guān)鍵詞：焊接材料;HR3C奧氏體耐熱鋼;選用原則;工程應(yīng)用;異質(zhì)焊縫

中圖分類號(hào)：TG422;TG457.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）04-0013-11

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.02

0 ??前言

HR3C奧氏體耐熱鋼已成功應(yīng)用于超超臨界火電鍋爐機(jī)組中運(yùn)行溫度高于620 ℃的過熱器、再熱器裝置。雖然說現(xiàn)有的焊接材料和配套工藝基本能夠滿足制造要求，但這并不意味著在所有情況下焊接接頭都能獲得滿意的焊接性。在一些情況下，焊接熱裂紋敏感性、接頭的應(yīng)力腐蝕裂紋敏感性以及接頭的時(shí)效脆化傾向等問題在施工過程中時(shí)有發(fā)生。另一方面，鑒于過熱器、再熱器HR3C鋼管接頭工況條件的惡劣性，要求具有足夠的高溫持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度、抗煙氣腐蝕性能以及抗蒸汽的氧化性能等性能，致使該鋼焊接材料的選用原則與眾不同。具有鎳基奧氏體焊縫的焊接材料已在工程上被普遍采用，但作為異質(zhì)焊縫的“組織匹配”焊接材料選用原則，則往往被忽略而未被強(qiáng)調(diào)。在有關(guān)HR3C鋼焊接的文獻(xiàn)中，涉及焊接材料選用原則的內(nèi)容往往一帶而過，專題性探討的文獻(xiàn)較為罕見。為此，論文從HR3C鋼焊接工程應(yīng)用入手，將焊接材料選擇與該鋼的焊接性、焊接材料種類、工藝方法相聯(lián)系，著力探討其選用原則。該項(xiàng)工作對(duì)推動(dòng)HR3C鋼焊接材料的開發(fā)、配套工藝的銳意改進(jìn)，以及工程質(zhì)量的提升，具有參考價(jià)值和實(shí)用意義。

1 HR3C鋼的焊接材料及焊接性

1.1 HR3C鋼焊接工程應(yīng)用實(shí)例

（1）實(shí)例1，HR3C超級(jí)不銹鋼焊接工藝試驗(yàn)研究及應(yīng)用[1]。某1 000 MW超超臨界火電機(jī)組鍋爐的一級(jí)過熱器和二級(jí)過熱器上，共有HR3C鋼焊口198只，其中一級(jí)過熱器66只，規(guī)格為φ48 mm×9.5 mm，二級(jí)過熱器132只，規(guī)格為φ60 mm×4.2 mm。管接頭為65° V形坡口對(duì)接接頭，如圖1所示。承建方安徽電力建設(shè)第二工程公司采用φ2.4 mm 的ERCrNi-3鎳基焊絲，執(zhí)行表1中實(shí)例1所示焊接工藝要點(diǎn)的同時(shí)，特別強(qiáng)調(diào)層間溫度和焊接工藝參數(shù)的嚴(yán)格控制、管內(nèi)背面焊縫保護(hù)效果，以及焊接施工注意事項(xiàng)等。焊口順利通過外觀檢査和射線探傷檢測(cè)，焊接質(zhì)量100%合格。

截至機(jī)組整套啟動(dòng)前，焊接接頭經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)5 000 h左右的常溫時(shí)效，以及2011年5月機(jī)組投入運(yùn)行以來約3 000 h的高溫時(shí)效，預(yù)判該批焊接接頭的各項(xiàng)性能已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。在機(jī)組的例行檢修過程中，一級(jí)過熱器和二級(jí)過熱器的HR3C鋼焊接接頭尚未發(fā)現(xiàn)任何質(zhì)量問題。直至目前，該機(jī)組運(yùn)行正常穩(wěn)定。

（2）實(shí)例2，SA213-TP310HCbN鋼采用鎳基焊絲ERNiCrCoMo-1焊接工藝探討[2]。河南許昌禹龍發(fā)電廠二期2×660 MW超超臨界機(jī)組3#爐安裝工程中，末級(jí)過熱器、末級(jí)再熱器出口過渡段管屏材質(zhì)為HR3C鋼，鋼管規(guī)格為 φ47.6 mm×9 mm、φ41.3 mm×8 mm、φ57.2 mm×5 mm、φ63.5 mm×7.3 mm。管接頭為對(duì)接接頭，60°～70° V形坡口（見圖1），共有1 546個(gè)焊接焊口?，F(xiàn)場(chǎng)焊縫位置為橫焊位置。參建方青?；痣姽こ坦踞槍?duì)施工中的難點(diǎn)，執(zhí)行表1中實(shí)例2所示焊接工藝要點(diǎn)的同時(shí)，從坡口制備、管口封堵、充氬、焊接等各方面采取了有效的工藝措施，使施工過程始終處于安全、穩(wěn)定、高效、優(yōu)質(zhì)的可控狀態(tài)。既確保了焊縫根部充氬保護(hù)效果，防止了根部氧化現(xiàn)象，又消除了焊鏠根部接頭的內(nèi)凹缺陷，保證了根部接頭成形良好。接頭經(jīng)100%RT檢測(cè)，一次合格率達(dá)98.6%。

（3）實(shí)例3，HR3C鋼管焊接試件高溫蠕變斷裂試驗(yàn)[3]。國(guó)外某公司執(zhí)行表1中實(shí)例3所示的焊接工藝要點(diǎn)，對(duì)1G位置φ38 mm×6.3 mm鋼管GTAW焊接試件進(jìn)行650 ℃、700 ℃和750 ℃、105 h蠕變斷裂試驗(yàn)。HR3C鋼的管材和焊件的蠕變?cè)囼?yàn)比較如圖2所示。圖中母材用深色符號(hào)，焊接接頭用淺色符號(hào)，仍在運(yùn)行的應(yīng)力斷裂試驗(yàn)用箭頭標(biāo)記。實(shí)線表示兩種鋼及其焊件的平均蠕變斷裂強(qiáng)度，虛線則對(duì)應(yīng)于-20%的公差下限。650 ℃、700 ℃、750 ℃三種溫度下的母材和焊件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均落在實(shí)線上或其附近，表明了被測(cè)管及其焊接接頭的良好抗蠕變性。然而，從圖3中可以看出，隨Larson-Miller參數(shù)PLM的增大，試件的斷面收縮率明顯下降。表明高溫下蠕變?cè)囼?yàn)管子或接頭中有脆性σ相析出，不僅降低其蠕變強(qiáng)度，而且耗盡其塑性而脆化。

（4）實(shí)例4，HR3C鋼采用Thermanit 617和YT-HR3C焊絲焊接接頭高溫短時(shí)強(qiáng)度性能試驗(yàn)[4]。與HR3C鋼相配套的YT-HR3C焊材由日本日鐵住友溶接工業(yè)株式會(huì)社生產(chǎn)，不但價(jià)格昂貴而且市場(chǎng)無貨，給工程安裝焊接施工造成了很大的影響。為了選用合適的焊材來替代YT-HR3C焊材，上海電力建設(shè)有限責(zé)任公司在焊接工藝評(píng)定的基礎(chǔ)上，執(zhí)行表1中實(shí)例4所示焊接工藝要點(diǎn)，對(duì)兩種焊絲（YT-HR3C和Thermanit 617）焊接接頭試件進(jìn)行了高溫（550 ℃、600 ℃、625 ℃、650 ℃）短時(shí)強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，鎳基合金焊材Thermanit 617焊接的接頭高溫短時(shí)強(qiáng)度高于YT-HR3C焊材的，而且前者試件拉伸斷口均位于母材區(qū)，而后者則斷在焊縫上。為該鋼焊接工藝評(píng)定及工程上合理選用鎳基合金焊絲，提供了必要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

工程實(shí)例中焊材成分、焊縫組織及力學(xué)性能如表2所示?？梢钥闯觯湫凸こ贪咐褂煤附硬牧现饕譃閮纱箢悾阂活愂峭|(zhì)焊縫焊絲如YT-HR3C，另一類（其余的）是異質(zhì)焊縫焊絲。焊絲的合金系統(tǒng)，前者為Cr-Ni系，后者為Ni-Cr-Nb或Ni-Cr-Mo-Nb、Ni-Cr-Co-Mo。從焊縫組織看，前者為“成分匹配”型與母材同質(zhì)的奧氏體組織，而后者為“組織匹配”型的與母材異質(zhì)的鎳基奧氏體組織。焊縫金屬的熱膨脹系數(shù)接近母材金屬[5]。從接頭的強(qiáng)度匹配類型看，理應(yīng)均屬于等強(qiáng)或高強(qiáng)匹配焊縫（對(duì)照表3、表5綜合分析），接頭的使用安全性應(yīng)當(dāng)是滿意的。但是，實(shí)例4的試驗(yàn)結(jié)果卻是，鎳基合金焊材Thermanit 617焊接接頭的高溫短時(shí)強(qiáng)度高于YT-HR3C焊材的，而且前者試件拉伸斷口均位于母材區(qū)，而后者則斷在焊縫上。表明Thermanit 617焊絲接頭的綜合性能優(yōu)于YT-HR3C焊絲的。

1.2 HR3C鋼及其焊接性分析

HR3C鋼是在25-20（AISI310）鋼的基礎(chǔ)上， 采用合金化冶金技術(shù)以及真空感應(yīng)熔煉、鍛造、冷軋和在1 200 ℃保溫30 min的固溶處理等工藝，開發(fā)出的新型奧氏體耐熱鋼。從化學(xué)成分上看（見表3），該鋼是通過限制含C量，并復(fù)合添加0.20%～0.60%的強(qiáng)碳氮化物形成元素Nb和0.15%～0.35%的N，利用析出彌散分布微細(xì)的Nb的金屬間化合物NbCrN和Nb的碳、氮化合物以及M23C6碳化物對(duì)25-20鋼進(jìn)行強(qiáng)化的。該鋼的主要冶金原理如表4所示。從性能上看（見表5），該鋼室溫下力學(xué)性能指標(biāo)，如抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為750 MPa和373 MPa，斷后伸長(zhǎng)率45%，完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。在高溫性能方面，由于長(zhǎng)期時(shí)效過程中細(xì)小的金屬間相NbCrN和M23C6相彌散析出，且NbCrN相的長(zhǎng)大速度非常緩慢（具有良好的組織穩(wěn)定性），起到良好的強(qiáng)化作用，而出現(xiàn)有害σ相和Cr2N相的幾率很小，因此HR3C鋼具有較高的高溫蠕變斷裂強(qiáng)度和較高的許用應(yīng)力[8]。同時(shí)，由于該鋼中Cr含量提高至25%及以上，Cr極易在材料表面與氧結(jié)合形成Cr2O3氧化膜，阻止鋼繼續(xù)氧化，因此鋼具有更優(yōu)良的抗高溫水蒸汽腐蝕性能和抗高溫?zé)煔飧g性能。鑒于HR3C鋼優(yōu)良的蠕變斷裂強(qiáng)度和更優(yōu)良的抗蒸汽和煙氣的氧化性能，非常適合用于蒸汽參數(shù)為621 ℃、31 MPa的超超臨界鍋爐的過熱器和再熱器部件的末級(jí)管道中。該鋼的供貨狀態(tài)為固溶處理（1 200 ℃保溫30 min）（見表6），顯微組織是奧氏體基體+細(xì)小彌散分布的析出相（M23C6、NbCrN等）（見圖4[7]）。

雖然通過控制焊接工藝，可以獲得良好高溫持久性能的HR3C鋼焊接接頭，因此文獻(xiàn)[8]認(rèn)為HR3C鋼具有良好的焊接性。但是這并不意味著在所有的情況下都能獲得滿意的接頭性能。研究表明，該鋼焊接性的主要問題是：

（1）熱裂紋敏感性。具有純奧氏體顯微組織，形成焊接熱裂紋的傾向較大。這些熱裂紋包括焊縫金屬中的結(jié)晶裂紋、焊接熱影響區(qū)過熱區(qū)或多層焊中后道焊在前道焊的熱影響區(qū)中產(chǎn)生的高溫液化裂紋，以及在熱影響區(qū)過熱區(qū)由于塑性不足在應(yīng)力作用下形成高溫脆性裂紋。這取決于母材和填充金屬成分雜質(zhì)含量，特別是硫和磷含量。雖然由于焊縫和母材中的硫、磷等雜質(zhì)含量較低，形成焊接熱裂紋傾向并不是很大，但結(jié)晶裂紋特別容易在焊縫收弧部分和弧坑處發(fā)生。

（2）接頭的應(yīng)力腐蝕裂紋敏感性。在燃煤電站條件下，發(fā)生應(yīng)力腐蝕而引起的破壞事故時(shí)有所聞。Cr-Ni奧氏體鋼最容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕的溫度范圍是50～300 ℃，在接頭焊接以后到鍋爐升溫運(yùn)行這段時(shí)間，焊接接頭容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋。文獻(xiàn)[9]研究了HR3C鋼焊接接頭的應(yīng)力腐蝕行為。結(jié)果表明，NaCl溶液中的HR3C鋼焊接接頭應(yīng)力腐蝕行為顯著增大，說明Cl-對(duì)接頭的應(yīng)力腐蝕敏感性有較大的影響，而在酸性介質(zhì)中接頭應(yīng)力腐蝕敏感性略大于弱堿性介質(zhì)中的。

（3）接頭的時(shí)效脆化傾向。用HR3C鋼制成的鍋爐過熱器和再熱器部件，其運(yùn)行溫度可能高達(dá)650 ℃或者以上。該運(yùn)行溫度恰好處于奧氏體鋼金屬間相如σ相的析出溫度區(qū)。在接頭中出現(xiàn)少量σ相就會(huì)使其韌性和塑性急劇下降。在長(zhǎng)期高溫運(yùn)行的HR3C鋼管接頭中，σ相的析出嚴(yán)重劣化蠕變強(qiáng)度或?qū)е垄笮土鸭y，加速關(guān)鍵部件早期失效。文獻(xiàn)[3]研究了HR3C鋼焊接接頭高溫蠕變斷裂行為，結(jié)果表明，試樣經(jīng)歷高溫蠕變，HAZ粗晶區(qū)出現(xiàn)了網(wǎng)狀分布的σ相，接頭的蠕變斷裂強(qiáng)度明顯下降。蠕變?cè)嚰嗔蚜鸭y啟裂于熔合線并沿HAZ粗晶區(qū)擴(kuò)展，與該區(qū)出現(xiàn)網(wǎng)狀分布的σ相組織特征存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

綜上，HR3C鋼焊接性的主要問題是焊接接頭的熱裂紋敏感性，以及接頭的應(yīng)力腐蝕裂紋敏感性。同時(shí)也不可忽視接頭的時(shí)效脆化傾向。選用優(yōu)質(zhì)、合適的焊接材料和優(yōu)化的焊接工藝，是控制和改善該鋼焊接性的重要技術(shù)手段。

2 HR3C鋼焊接材料的選用原則

為了獲得與母材相當(dāng)?shù)某?、特別是高溫性能，包括顯微組織的高溫時(shí)效穩(wěn)定性、高溫蠕變強(qiáng)度和蠕變塑性，以及抗高溫氧化和腐蝕性能，特別是在電站超超臨界機(jī)組應(yīng)用情況下的煤灰腐蝕性能等重要性能，HR3C鋼焊接材料的選用在工程上現(xiàn)有兩種選用原則：焊縫的“成分匹配”選用原則與焊縫的“組織匹配”選用原則。所謂焊縫的成分匹配原則，即選用與母材成分基本相同的同類焊接材料，如選用日本住友開發(fā)的YT-HR3C專用焊絲（成分見表7）。該焊絲中將Cr的含量提高到27.0%（比母材平均值提高了約2%的含量），為的是保證焊縫中足夠的Cr含量使其具有高的抗蒸汽和煙氣氧化性能;同時(shí)新增加了2.94%的Cu和0.91%的Mo。2.94%Cu的加入，可以起到穩(wěn)定奧氏體相的作用，同時(shí)主要作用是在運(yùn)行過程中析出彌散細(xì)小的富銅相，以達(dá)到提高焊縫高溫強(qiáng)度的目的。0.91%Mo的加入，也是為了提高焊縫的高溫強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性等。其他的元素含量，如C、Ni、Nb、N、Si、Mn與母材中的含量比較接近。不難看出，所謂的成分匹配，也并非與母材成分完全一致，而是要考慮焊接電弧中合金元素的過渡燒損，以及合金化需要等因素的影響。實(shí)際上YT-HR3C焊絲采用的是“準(zhǔn)成分匹配”原則。該焊絲存在的主要問題是：①焊縫金屬的凝固模式為從液態(tài)直接形成全奧氏體組織，即L→L+A→A。該凝固模式具有很強(qiáng)的焊縫凝固裂紋和熱影響區(qū)液化裂紋傾向，給實(shí)際施工工藝和焊接質(zhì)量控制帶來較大的難度。②等成分匹配焊絲YT-HR3C制造難度較大、成材率低、交貨期長(zhǎng)、貨源不暢、價(jià)格畸形。此外，YT-HR3C焊絲的高溫短時(shí)強(qiáng)度低于Thermanit 617（ERNiCrCoMo-1）焊絲的，而且前者試件的拉伸斷口均位于焊縫上，而后者的拉伸斷口則位于母材區(qū)[4]。表明Thermanit 617（ERNiCrCoMo-1）焊絲的匹配性能優(yōu)于YT-HR3C焊絲。

焊縫的“組織匹配”原則，是指采用與HR3C母材微觀組織相同焊接材料的匹配方式。具體而言，就是采用具有純奧氏體組織的鎳基焊縫填充金屬材料。實(shí)質(zhì)上它是一種異質(zhì)焊縫焊接材料（與母材非同質(zhì)）?，F(xiàn)有三種可供選用的奧氏體鎳基焊接材料（見表8）。

（1）ERNiCr-3焊絲。該焊絲雖然對(duì)母材成分稀釋不敏感，具有較好的焊接工藝性、抗熱裂性;良好的常溫力學(xué)性能;269～900 ℃以上服役良好的組織穩(wěn)定性;以及在各種溫度下熱膨脹系數(shù)與母材接近等優(yōu)點(diǎn)。但是焊縫的高溫蠕變強(qiáng)度不夠，蠕變斷裂強(qiáng)度低于母材的平均值，達(dá)不到母材平均值的80%（見圖5[5]），而且抗硫化性能也很差。

（2）ERNiCrMo-3焊絲。該焊絲雖然具有較好的焊接工藝性、抗熱裂性等優(yōu)點(diǎn)。但是焊縫的抗硫化性能較差;在長(zhǎng)期高溫時(shí)效后焊縫出現(xiàn)較強(qiáng)的析出脆化趨勢(shì);焊縫的使用溫度上限為540 ℃，不能完全滿足使用溫度超過680 ℃的HR3C鋼的要求。

（3）ERNiCrCoMo-1焊絲。該焊絲不僅具有較好的焊接工藝性、抗熱裂性、優(yōu)良的常溫力學(xué)性能、比ERNiCrMo-3更好的高溫性能;而且焊縫的使用溫度上限高達(dá)980 ℃，遠(yuǎn)高于HR3C鋼的680 ℃。從表8中可以看出，該焊絲中的C含量與母材相似，Ni含量為55%，Cr含量為22%;新加了12%的Co、9%的Mo和適量的Al。由于這些元素的作用，在高溫服役條件下，具有優(yōu)良的抗高溫氧化和硫化能力。其中Co和Mo的固溶強(qiáng)化加上細(xì)小碳化物的析出，以及在650 ℃左右時(shí)效時(shí)析出的一次γ相，大大提高了顯微組織的穩(wěn)定性和蠕變強(qiáng)度。在540～625 ℃之間，ERNiCrCoMo-1焊絲的許用應(yīng)力高于Super 304H，但稍低于HR3C鋼;溫度高于625 ℃后，許用應(yīng)力明顯高于Super 304H和HR3C鋼（見圖6[5]）。

幾種相關(guān)合金熱膨脹系數(shù)與溫度變化的關(guān)系比較見圖7[5]。在100～6 800 ℃溫度區(qū)間，ERNiCrCoMo-1焊絲合金的熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化與HR3C鋼比較接近，致使焊絲焊接接頭中的焊接殘余應(yīng)力較小，有利于接頭抗裂性的提升。

ERNiCrCoMo-1焊絲焊縫的蠕變性能與ERNiCr-3焊縫和HR3C母材的比較如圖8所示[5]?？梢钥闯?，ERNiCrCoMo-1焊絲的蠕變性能，在L-M參數(shù)較低時(shí)，處于HR3C鋼平均值和平均值+20%之間的80%附近;在L-M參數(shù)較高時(shí)，處于超過HR3C母材平均強(qiáng)度+20%的水平。可見，該焊絲具有良好的高溫蠕變性能。

綜上所述，對(duì)于準(zhǔn)成分匹配焊絲YT-HR3C，由于具有很強(qiáng)的凝固裂紋和液化裂紋傾向，以及生產(chǎn)技術(shù)、價(jià)格等方面的原因，不適合HR3C鋼的焊接生產(chǎn)。對(duì)于組織匹配的三種純奧氏體Ni基焊絲，前兩種（ER NiCr-3和ER NiCrMo-3）或者因高溫蠕變強(qiáng)度不夠，低于母材的平均值，達(dá)不到母材平均值的80%，而且抗硫化性能也很差;或者因焊絲的抗硫化性能較差;在長(zhǎng)期高溫時(shí)效后出現(xiàn)較強(qiáng)的析出脆化趨勢(shì);焊縫的容許使用溫度不能完全滿足HR3C鋼的要求等原因，都不太適合HR3C鋼的焊接生產(chǎn)。對(duì)于ERNiCrCoMo-1焊絲，由于具有較好的焊接工藝性、抗熱裂性、優(yōu)良的常溫力學(xué)性能、比ERNiCrMo-3更好的高溫性能;焊縫的使用溫度上限高達(dá)980 ℃，遠(yuǎn)高于HR3C鋼的680 ℃等優(yōu)點(diǎn);已被明確推薦為HR3C鋼的首選焊接材料，采用該焊絲焊接的電站機(jī)組已經(jīng)投入實(shí)際運(yùn)行[5]。

3 HR3C鋼典型焊材及工藝方法

焊接材料的種類取決于工藝方法，而工藝方法又取決于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、焊縫位置、接頭形式及使用條件等。工程上HR3C奧氏體耐熱鋼管的常用焊接方法是GTAW。兩種焊接方法（GTAW和SMAW）國(guó)外典型焊接材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能如表9所示。由于同屬于AWS標(biāo)準(zhǔn)（焊絲A5.14，焊條A5.11），所以焊接材料的合金系統(tǒng)均為Ni-Cr-CO-Mo。從焊縫強(qiáng)度和焊接性，以及抑制σ相形成考慮，焊縫的含C量被限定在0.05%～0.15%之內(nèi)，多數(shù)實(shí)測(cè)值為0.06%～0.07%。脫氧方式為Si-Mn或加Al、Ti聯(lián)合脫氧。焊接材料熔敷金屬的力學(xué)性能均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍之內(nèi)。與母材HR3C鋼的抗拉強(qiáng)度相比，所用焊接材料的抗拉強(qiáng)度都等于或大于母材的（見表7～表9），屬于等強(qiáng)或高強(qiáng)匹配焊縫焊接材料。這與工程應(yīng)用或工藝評(píng)定報(bào)告中的、接頭拉伸試件斷裂部位位于母材區(qū)的結(jié)果是相一致的。

采用表8所列焊接材料的GTAW焊接方法，雖然可以獲得滿意的焊接接頭性能，然而不足之處是焊接時(shí)必須在管內(nèi)充氬對(duì)接頭根部焊道進(jìn)行保護(hù)，以免被氧化影響使用性能。這種管內(nèi)充氬輔助工藝消耗時(shí)間、增加成本、影響效率。為此，文獻(xiàn)[5]提及采用SMAW焊接方法及配套焊接材料（見表10），利用焊條藥皮的熔化冶金作用，可在焊根反面自動(dòng)形成渣層保護(hù)，以免除管內(nèi)充氬保護(hù)工序，節(jié)約成本、提高效率。可是SMAW焊接方法的熱輸入可能比GTAW大一些，是否會(huì)影響接頭的使用性能，尚需工藝評(píng)定后確定，目前尚未查到工程應(yīng)用案例報(bào)道。

表10還分別列舉了用SMAW打底+GTAW填充和用“帶藥皮專用焊絲”GTAW打底+GTAW填充的工藝方法。前者是采用表9所列ENiCrCOMo-1電焊條打底，而后者是采用帶有藥皮的專用焊絲GTAW打底。它們的共同優(yōu)點(diǎn)是免除了管內(nèi)對(duì)焊縫根部的充氬保護(hù)工序，不足之處可能也是熱輸入比GTAW大一些。表10所列的第2、3、4三種工藝方法接頭的常溫力學(xué)性能，可能與GTAW接頭的差別不大，因?yàn)樗煤附硬牧铣煞志螦WS A5.14或AWS A5.11標(biāo)準(zhǔn)要求。

表10中所列出的最后一種方法是激光填絲焊接方法。文獻(xiàn)[12]采用3 500 W Slab CO2激光器和φ1.0mm T-HR3C填充焊絲，對(duì)φ48×10 mm的HR3C耐熱鋼管對(duì)接接頭進(jìn)行激光填絲焊接。通過優(yōu)化激光焊接工藝參數(shù)，獲得了X射線探傷合格的、沒有明顯軟化區(qū)的焊接接頭。焊后狀態(tài)的接頭650 ℃時(shí)的高溫持久強(qiáng)度比固溶處理的熱絲TIG接頭有明顯提高。激光填絲焊接方法雖然具有低的熱輸入、焊縫晶粒細(xì)、初次結(jié)晶鐵素體含量少、熱影響區(qū)非常窄、快速冷卻抑制σ相形成等一系列明顯的優(yōu)勢(shì)，但是技術(shù)復(fù)雜、焊接成本高，而且沒有克服管內(nèi)充氬保護(hù)問題。目前為止，僅查到一篇試驗(yàn)室研究文獻(xiàn)，尚未查到電廠工業(yè)應(yīng)用案例文獻(xiàn)或報(bào)道。

HR3C鋼的現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝要點(diǎn)是：①采用正確的坡口形狀和尺寸;②選用合適的焊接材料（焊絲、焊條、保護(hù)氣體等）;③選用優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)（包括焊接材料牌號(hào)和直徑、焊接電流、電弧電壓、電源極性、焊縫層數(shù)和道數(shù)等）;④控制焊接熱輸入、焊縫層間溫度、焊道厚度，以及焊道輪廓等。從表1和表9中可以看出，GTAW方法（含ERNiCrCOMo-1焊絲）及工藝的應(yīng)用，已在工程上HR3C鋼焊接施工中取得了較為滿意的效果，其余幾種焊接方法，可供探索研究或開啟思路。如能在免除管內(nèi)充氬保護(hù)方面有所突破，將使該項(xiàng)工藝的生產(chǎn)效率明顯提升。

4 結(jié)論

（1）在HR3C奧氏體耐熱鋼工程條件下，所使用的焊接材料多為“異質(zhì)焊縫”型，其中ERNiCrCoMo-1焊絲接頭的高溫強(qiáng)度高于同質(zhì)焊縫YT-HR3C接頭的。

（2）HR3C鋼焊接性的主要問題是熱裂紋敏感性、接頭的應(yīng)力腐蝕裂紋敏感性，以及接頭的時(shí)效脆化傾向。選用優(yōu)質(zhì)、合適的焊接材料和優(yōu)化的焊接工藝，是控制和改善該鋼焊接性的重要技術(shù)手段。

（3）所謂異質(zhì)焊縫的“組織匹配”原則，即采用Ni-Cr-Co-Mo合金系的鎳基奧氏體焊縫，保證接頭獲得滿意的綜合使用性能（含高溫性能）和焊接性。

（4）受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和焊接方法控制，HR3C鋼焊接材料種類可能有多種（同質(zhì)焊縫或異質(zhì)焊縫），工程上實(shí)用的焊接工藝僅為GTAW，典型焊接材料的綜合性能指標(biāo)優(yōu)勢(shì)明顯，完全可以適配HR3C鋼焊接性要求。

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