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
1 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。
2 SA-213T91钢和1Cr18Ni9Ti钢的性能、化学成分
2.1 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。SA-213T91标准的化学成分如表1所示。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。
表1 SA-213T91材料的化学成分（％）
2.2 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，其化学成分如表2所示。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。
表2 1Cr18Ni9Ti材料的化学成分（％）
3 SA213-T91和1Cr18Ni9Ti异种钢焊接存在的主要问题
马氏体和奥氏体异种钢焊接，由于两种不同成分、不同晶体结构的金属互相掺合，在其熔合线附近出现了化学成分、金相组织、机械性能和物理性能的不均匀性。由于这些不均匀性的存在，给接头的使用安全性带来了很大不利r2I，因此选择合理的焊接工艺尤为重要。
3.1 物理性能的差异
马氏体钢和奥氏体钢的热膨胀系数不同(20～ 600℃；奥氏体钢的线膨胀系数为18.5×10 6／℃，马氏体钢的线膨胀系数为12．6×10-6／℃），因此焊接时不仅会产生较大的残余应力，而且在部件承受热循环影响时将会在熔合面处产生较高的热应力，经试验，即使通过焊后热处理，焊接接头中的残余应力也难以消除。因为在回火加热时产生了应力松弛，但在随后冷却过程中，随着弹性性能的恢复，异种钢焊接接头不均匀的热收缩性会重新产生残余应力，这种残余应力的存在，对工作性能往往是不利的。特别是循环热作用下工作时，由于形成热应力或热疲劳而可能产生裂纹。要避免出现这种情况，则应尽量选用线膨胀系数介于马氏体钢与奥氏体钢之间的镍基合金作为焊接材料，可以减轻热应力的产生。而且这类填充金属用于在温度周期变化中工作的过渡接头有两个优点：能容许多种母材稀释而不产生对裂纹敏感的组织；对C的溶解度低，可减少C从低合金钢迁移到焊缝内部。
3.2 合金元素的过渡
在焊接过程中通过机械混合和液态扩散使合金元素溶解。在热处理和高温进行过程中，特别是接头处熔合区存在C的扩散迁移，形成脱碳层和增碳层，并造成该区抗蠕变能力、持久强度和塑性等的下降，造成接头的早期失效，提高焊缝中Ni的含量是抑制熔合区C扩散最有效的手段。
3.3 蠕变性能的差异
母材和焊缝金属性能的差异会导致焊接接头中应力的再分配和局部应力集中。
4 焊接工艺的制定
4.1 焊接方法与设备
TIG 焊接；ZX7-400.
4.2 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T 91 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T P347H 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3。
表3 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4。
表4 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。
4.3 焊前准备
(1)选用ERNICr-3 2.4mm焊丝。
(2)将试件坡口两侧l0～15 mm范围内的铁锈、油污用磨光机和锉刀打磨干净，直至露出金属光泽。
(3)坡口形式：V型坡口；坡口角度35。，钝边1.0～1.5 mm，对口间隙3～4mm，点固焊内部充氩，点焊处局部加热到200，点焊长度10-15 mm，点焊位置处于11～1点之间。坡口形式如图1、图2所示。
图1 坡口形式及垂直固定
图2 坡口形式及水平固定
(4)电焊机电流调节灵敏，充氩和密封设施准备齐全，充氩方式如图3所示。
图3 小径管内充氩堵头
4.4 焊接工艺参数
水平固定管、垂直固定管焊接工艺参数见表5、表6。
表5 水平固定焊接工艺参数
表 6 垂直固定焊接工艺参数
4.5 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2～3 L／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。
4.5.1 垂直固定管操作要领
(1)打底层施焊。管子内部形成充氩保护，流量10～15L／min，焊前用火焰加热法将焊件预热到200℃。采用划擦法引弧从点焊位置开始施焊。采用内填丝法施焊，焊枪尽量保持垂直于施焊点切线位置，焊枪上、下垂直摆动。焊丝紧靠上坡口钝边位置送进，与切线方向夹角为10。～15。，焊枪上下摆动要均匀，送丝速度也要均匀，尽量加快焊接速度，减少焊接线能量。由于管子内部充氩，所以在焊接过程中要尽量使坡口两侧充分熔化，避免形成凹陷或未焊透缺陷，特别是接头部位很容易形成未焊透，因此接头时在坡口两侧要多做停留，焊丝也要跟进，填满弧坑后将电弧迅速带到坡口边收弧，避免形成缩孔。
(2)盖面层施焊。采用划擦法引弧，从任意一点开始施焊，焊枪垂直于焊接点上下摆动，焊线与焊接点切线成10。-15。，始终位于上坡口部位，焊丝不能脱离开熔池，焊枪摆动到上坡口时焊丝要送进，摆动到下坡口焊丝停留在原地不动，以避免形成盖帽。遇到障碍时摆动头部快速通过，尽量加快焊接速度，减少焊接线能量，整个焊接过程完成后，表面不能有超标缺陷。
4.5.2 水平固定管操作要领
(1)打底层施焊。管子内部充氩保护，焊前采用火焰加热将焊缝预热到200℃。在焊缝坡口处采用划擦法引弧。从6点钟位置开始施焊，然后在l2点钟位置收弧。下半圈(下爬坡位置)采用内填丝法施焊，避免形成内部凹陷；上半圈(上爬坡位置)采用外填丝法施焊，避免形成焊瘤。在焊接过程中，焊把保持与焊接点切线方向垂直，焊丝在焊接过程中随时变动角度，上爬坡位置焊丝与氩弧焊枪成80。～90。，下爬坡两者成150。～160。。当焊接遇到障碍时快速摆动头部，焊枪和焊丝暂不动，快速通过障碍后再正常施焊。焊接过程中焊枪摆动要均匀，送丝速度要均匀，尽量加快焊接速度，减少焊接线能量，最好保持在l7。～24。之间。
由于管子内部充氩，施焊过程中注意使坡口两侧充分熔化，避免形成凹陷或者未焊透，特别是焊接接头部位很容易形成未焊透缺陷，因此在接头时，焊枪在坡口两侧要稍作停留，焊丝也要跟上，弧坑填满焊丝，焊把往回拉动，使熔池温度降下来后迅速收弧，避免形成缩孔。
（2)盖面层焊接。采用划擦法在坡口内侧引弧，从6点钟位置开始焊，在12点钟位置收弧。在焊接过程中，焊枪应始终保持与施焊点切线位置垂直，焊丝与施焊点切线方向成10。～15。，遇到障碍时，快速摆动头部通过，焊接时焊把要摆动均匀，在坡口两侧稍作停留，焊丝均匀送进，尽量加快焊接与速度，减少焊接线能量，整个过程完成后，表面不能有超标缺陷。
4.6 焊后热处理
而对T91而言,是必须进行焊后热处理的,由于T91淬硬倾向大,易产生冷裂纹,因此焊后应立即进行热处理,因为马氏体钢一般在调质状态下焊接,焊后只需回火处理。对于P91钢(大口径厚壁管)不允许焊后立即回火,而要焊后冷却到某一温度时再进行回火处理。因为在焊接过程中奥氏体可能未能完全转变,如焊后立即回火,会出现碳化物沿奥氏体晶界沉淀和奥氏体向珠光体转变的现象, 这种组织是很脆的, 但如完全冷却到室温后再进行回火处理也不适宜,因为有产生冷裂纹的危险。一般,焊后要冷却到100～120℃并在该温度保温0. 5～1. 0 h,然后升温进行回火处理。回火处理要适当,偏低时得不到应有的回火效果, 回火温度过高, 有可能再次形成奥氏体,以致在冷却时再次淬硬。T91/1Cr18Ni9Ti异种钢接头,热处理工艺要按照T91钢的要求制定,以防止焊缝出现冷裂纹,消除焊接残余应力外，还要消除因两者热膨胀系数差异而产生的附加应力。通常热处理为760±10 ℃, 恒温时间按5min/mm计算,且不小于1h,焊后热处理的升、降温温度≤150℃/h,降温至300℃时,可以不控制,冷却到室温。
5 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。
6 结论
(1)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]东电四公司焊接工艺评定.
[3]《火力发电厂异种钢焊接技术规程》DL/T 752-2010.
[4]《火力发电厂焊接技术规程》DL/T869-2012.
论文作者:褚宏顺
论文发表刊物:《电力设备》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/9
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