新型细晶奥氏体钢焊接材料代用试验及应用（上）

上海电力安装第一工程公司 （200090） 马佳龙

1. 概述

在超超临界电站锅炉中，受热面管所承受的温度和压力比亚临界、超临界锅炉进一步提高。为满足设计要求，锅炉的过热器、再热器高温段必须采用抗高温氧化能力和高温蠕变能力更强的材料。由日本SUMITOMO METAL INDUSTRIES研制开发的Super304H不锈钢管在600～700℃时的高温蠕变断裂强度明显高于常规的不锈钢材料，同时给焊接材料的选择也带来了相应的困难。

2. 新型不锈钢SA213—Super304H的特点分析

（1）SA213—Super304H钢特点 SA213—Super304H是SA213—TP304H的改进型，是在SA213—TP304H的基础上加入适量阻止奥氏体晶粒长大的Cu、Nb、N等元素，同时通过添加了3%Cu和0.4% Nb（质量分数），利用了Nb的碳氮化合物NbCrN、Nb（N、C）、M23C6）起到强化作用；又通过添加Cu时效析出金属间化合物来提高强度，从而达到高温强度、长期塑性以及抗腐蚀性能的最佳组合。其优越的高温蠕变强度不是靠贵重的合金元素W、Mo的强化获得，而是通过廉价的Cu、Nb、N，由富Cu相的Cu、Nb、N（C、N）M23C3质点的弥散强化获得。

（2）SA213—Super304H钢性能 化学成分如表1所示，力学性能如表2所示。

表1 SA213—Super304H钢化学成分（质量分数） （%）

表2 SA213—Super304H钢力学性能

3. 焊接工艺评定难点及技术措施

（1）焊接难点 SA213—Super304H钢在供货状态下同属单一的奥氏体组织，无冷裂倾向，因而奥氏体钢的焊接不需要预热。但是奥氏体型不锈钢焊接接头在焊接热循环的作用下，从高温区域冷却下来时，会有晶间腐蚀的倾向，再加上新钢种的合金元素种类和含量增加，其中Cr、Ni元素的含量提高，造成焊接熔池粘稠，铁液流动性差，使焊接性较差。

焊接过程中主要问题有三个方面：一是热裂纹；二是焊接变形大；三是打底焊时焊缝根部的氧化。

（2）工艺评定实施时主要技术措施与方案 焊接位置：管子45°布置（6G位置）。

焊接方法：采用了熔池体积小、热输入量较小的手工钨极氩弧焊（GTAW），以减少晶粒粗大的倾向。即使管壁厚度为10mm，也采用钨极氩弧焊。

焊接参数：采用小的热输入量，即小焊接电流快速焊，减少熔池过热。

层间温度：严格控制多层多道焊中的层间温度≤150℃，减少不锈钢材料在敏化温度区域内的停留时间，降低热裂纹生成。

冷却方法：采取强制冷却的方法（水冷等），待温度满足要求时继续焊接。

（3）焊接技术要点 ①为保证焊缝根部良好成形，便于焊工观察熔池，优先采用内加丝的技术。②采用较小热输入量焊接，即焊丝不摆动、间断操作方法，控制层间温度。③在焊口点固前、每层焊道之间用钢丝刷、角磨机等清理干净。

（4）焊接材料的选择 选用S、P含量低，且与母材化学成分、力学性能相匹配的焊丝，这里特选择日铁住金溶接工业株式会社的焊丝 NITTETSU YT—304H（对应SA213—Super304H相匹配）。考虑施工需要以及日产焊丝的市场供货的制约，我们选择了德国Bohler-Thyssen公司THERMANIT 617焊丝替代。

4. 焊接材料及工艺评定试验

（1）两种焊丝的化学成分如表3、表4所示。

表3 YT—304H焊丝化学成分（质量分数） （%）

表4 THERMANIT 617焊丝化学成分（质量分数） （%）

（2）工艺评定选用管子规格 NITTETSU YT—304H；管子规格：φ60.32mm×7.9mm。THERMANIT 617；管子规格：φ48.26mm×7.9 mm。

（3）焊接方法 采用手工钨极氩弧焊GTAW（根部、层间、盖面）。

（4）接头形式及焊道要求设计 对接接头、V形焊口、无衬垫、多层多道焊、6G焊接位置。

（5） 焊接参数如表5、表6所示。

表5 NITTETSU YT—304H焊丝焊接参数

表6 THERMANIT 617焊丝焊接参数

（6）施焊技术 采用单面焊双面成形；焊丝仅作横向小幅摆动；连续弧焊；层间可用同质钢丝刷或角磨机清理。

（7）预热和层间温度 预热温度可视环境温度≥10℃即可；层间温度≤150℃。

（8）拉伸试验 结果如表7、表8所示。

表7 NITTETSU YT—304H焊丝试验结果

表8 THERMANIT 617焊丝试验结果

（9）弯曲试验 结果均合格，如表9、10所示。

表9 NITTETSU YT—304H焊丝试验结果