摘要：本文主要就T91与1Cr18Ni9Ti采用镍基焊接材料进行焊接工艺和焊接操作方面研究，从而确定镍基焊接材料焊接的可行性。
关键词：T91钢；1Cr18Ni9Ti钢；合金过渡；ERNICr-3
引言
随着火电机组朝着大容量、高参数方向发展，对锅炉高温、高压金属部件材质的要求越来越高。火力发电机组由于各个部位的工作温度不同，相应的使用了不同化学成分和组织结构的钢材，因此必然会遇到异种钢的焊接问题。如：TP347H与T91钢焊接、T91与1Cr18Ni9Ti钢奥氏体钢与马氏体耐热钢焊接。主要分布在锅炉过热器、再热器、主蒸汽管道的管座与与热电偶保护套管需进行对接焊。这2种性能差异较大的材料相互焊接，不可避免地存在高温高压长期运行状态，异种金属接头过早失效的问题。如何把握焊接工艺，延长其接头的使用寿命，是需要研究解决的技术难题。文中主要分析马氏体耐热钢（T91）与奥氏体钢（1Cr18Ni9Ti）的化学物理性能，提出该异种钢接头的焊接方法、焊接材料、热处理及焊接工艺要点。
1 SA-213T91钢和1Cr18Ni9Ti钢的性能、化学成分
1.1 T91钢化学成分和焊接性能特点
T91钢是一种改进的9CrlMo钢，是由美国国家橡树岭实验室和美国燃烧工程公司冶金材料实验室合作研制的，是在9CrlMo钢的基础上降低含碳量，添加微量Nb、V合金比，并对含N量加以控制得到的。T91钢具有良好的冲击性能，高温持久强度、高温蠕变强度优异。T91属调质状态下使用的回火马氏体钢，组织结构为马氏体加部分铁素体，在高温环境下具有较好的组织稳定性、高温持久强度、高温蠕变强度。根据经验知道，T91钢具有较大的淬硬倾向，焊接性差，焊接时需要采取较高的温度预热和严格的工艺措施，才能防止冷裂纹的产生。所以，焊接时要选择合理的焊接工艺参数和适当的焊前预热温度，同时避免强制对口，减少拘束应力，控制焊缝中的氢含量，避免冷裂及脆化出现。
1.2 1Cr18Ni9Ti钢的化学成分和性能
1Cr18Ni9Ti钢是一种应用广泛的18-8型奥氏体不锈钢，又是不锈耐酸钢，具有高的抗腐蚀性能。由于钢中含有钛元素，能形成稳定的碳化物>TiC，从而避免在晶界上析出Cr23C6而引起晶间腐蚀，因此这种钢经固溶和稳定化处理后，可避免晶间腐蚀倾向，但也会因此而促使钢中出现氮化钛TiN夹杂物，特别是当TiN呈链状分布时，会使钢产生裂纹。加入Mo可提高奥氏体铬镍不锈钢的抗点状腐蚀与缝隙腐蚀能力。增加Ni含量目的在于增加奥氏体组织的比例，并提高抗应力腐蚀的能力。
2焊接工艺的制定
2.1焊接方法与设备
TIG焊接；ZX7-400。
2.2焊接材料的选择
T91与1Cr18Ni9Ti焊接时，T91含Cr量为9%左右，而1Cr18Ni9Ti含Cr量19%左右，含量相差10%，Cr是强碳化物形成元素，能降低碳的活度，如果采用高匹配焊材时，如A307，T91钢侧的碳活度较高，焊缝侧碳活度较低，存在一个明显的能量差，使得T91钢侧的自由碳越过熔合线向高Cr侧的焊缝迁移，在熔合线的焊缝侧形成明显的增碳层，T91侧形成脱碳层，容易导致T91侧热影响区产生早期失效的问题。随着焊材由高匹配向低匹配变化，碳迁移的程度减少，接舍夫勒组织图，焊缝组织将不可避免地出现脆硬马氏体组织，故也不适合。为了克服T91钢的稀释作用，减少焊缝中马氏体脆性层的宽度，必须增加焊缝中奥氏体形成元素的数量，为此应选用奥氏体化能力比A307焊条更强的填充材料，镍是一种能降低碳化物稳定性的元素，并削弱化物形成元素对碳的结合能力，因而提高焊缝中镍含量，是抑制熔合区碳迁移的最有效手段.
其次，在前面的钢种焊接性分析时，知1Cr18Ni9Ti不锈钢的热胀系数远大于T91，在高温工作时的异种钢接头中，如果焊缝金属的热胀系数与奥氏体钢母材接近，那么，高温应力就将集中在T91钢一侧熔合区，如果焊缝金属热胀系数与T91钢接近，那么高温应力就集中在TP347H奥氏体钢的熔合区内，由于TP347H奥氏体钢通过塑性变形降低应力的能力较强，所以高温应力集中在1Cr18Ni9Ti钢一侧较为有利。因而选择焊材时，最好使用膨胀系数接近T91钢的材料。
由此可知，焊接材料的选择要考虑抑制熔合区中碳的扩散，且材料的热胀系数要适合，同时为了提高焊缝抗热裂能力，应保证焊缝形成单相奥氏体，据此，可考虑产自日本的焊丝ERNiCr-3与产自美国的焊丝INCONEL TIG82。这2种焊丝均是典型的高镍基焊材。焊材化学成分见表1。
表1 焊材化学成分（％）
考虑其热胀系数，此2种焊丝大致均为15×10- 6。焊材及母材的热胀系数比较见表2。
表2 焊材化学成分（％）
由表3所知，Ni基焊材的热胀系数位于2者之间，采用Ni基焊材有利于减少热胀应力，因此可满足T91/1Cr18Ni9Ti钢焊接的应力要求。
2.3操作要领
根层焊接时，需注意管道内部氩气充满且稳定后方可进行根层焊接，以防止根层氧化，最后收口时背部冲氩流量要衰减至2～3L／min，以免压力过大形成内凹。
镍基焊丝的流动性和焊透能力很差。为减少熔合比，采用V形坡口，稍大角度，小直径焊丝，电流要尽量小，熔深要浅，快速焊接，电弧电压要比焊接其他材料稍大些以降低母材熔合比。
填充层及盖而时，焊丝始终放在焊缝中间，通过焊枪的摆动将熔滴带到坡口两侧，焊丝的给进量要严格控制，每道厚度不能大于2mm。每道焊接完成后应采用钢丝刷将焊道浮渣清理干净，并控制好层间温度。
3质量检验
工艺评定进行了外观检验（DL／T868—2004《焊接工艺评定规程》）、射线检验（DL/T821—2002《钢制承压管道对接焊接接头射线检验技术规范》、《火力发电厂焊接技术规程》DL/T869-2012硬度检验和微观金相检验等检验内容，检验结果表明，上述各项性能符合规程要求，工艺结果可用于焊接安装。
4结论
T91+1Cr18Ni9Ti异种钢焊接，采用镍基焊材（ERNiCr-3）作填充材料是合适的。因为其含Ni量高，在焊接熔合比较大时，均能保证焊缝为奥氏体组织，具有很强的适应性；另外线膨胀系数接近T91母材，可较大地降低焊缝界面应力；还可以阻止碳扩散迁移，使T91侧不易形成脱碳层，有利于提高接头的高温性能。
异种钢焊接接头因它的化学成分或物理化学性能不同而带来的焊接问题虽比同种金属的焊接复杂得多，但只要了解其性能，选择好合适的焊接材料和焊接工艺，尽量减少热输入控制焊缝的熔合比才能获得合格的焊接接头。
上述工艺在现场焊接施工中得到成功运用，焊口合格率高达99％以上，证明焊接工艺是正确可行的。同时也为从事焊接的工程技术人员提供了选材、制订合理焊接工艺的依据。
参考文献：
[1]杨富，章应霖，任永宁，李为民。《新型耐热钢焊接》中国电力出版社。
[2]东电一公司焊接工艺评定。
[3]《火力发电厂异种钢焊接技术规程》DL/T752-2010。
[4]《火力发电厂焊接技术规程》DL/T869-2012。
论文作者:刘聪
论文发表刊物:《基层建设》2019年第3期
论文发表时间:2019/4/26
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