异种材料管对接焊工艺研究

谢军虎 林绍斌

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川618000)

汽缸、阀体铸件是热电站发电设备中的传热和能量转化设备，在高温、高压下工作，广泛应用于火电、核电领域。在阀体、汽缸铸件制造过程中，有很多异种材料对接焊的情况，由于异种材料的化学、物理特性，如线膨胀系数、热导率、组织、熔点、力学性能等方面存在着差异，其焊接难度也明显增大。由于承压设备存在爆炸风险，所以为保证焊缝质量，焊接时须采取特殊的工艺措施。以某核电高压外缸为例，缸体上需组焊8个∅160 mm×15 mm的06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢管，汽缸本体材料为G17CrMo9-10，填充材料为ERNiCrFe-3焊丝，三种材料物料、化学特性差异较大，焊接难度极大，需要研究掌握其焊接工艺。

1 材料特性及生产难点

G17CrMo9-10属于珠光体耐热钢，不仅有很好的抗氧化性和热强性，还有较好的耐硫腐蚀和耐氢腐蚀性，以及较好的工艺性和物理性能，具有较高的蠕变断裂强度和松弛稳定性，但持久塑性相当低，缺口敏感性较大。

由于珠光体耐热钢比碳钢含有更多的合金元素，因此淬硬性较大，为此，焊后状态的焊接接头塑性及韧性较差，不利于实际应用，所以焊前需要进行预热，焊后进行去应力退火热处理。

镍基耐热合金具有耐各种腐蚀介质的抗腐蚀性能，同时具有良好的高低温力学性能，其显微组织为奥氏体，在固态下没有相变，镍基合金在焊接时具有以下特点：

(1)对焊接面的清洁度有较高要求；

(2)热裂纹敏感性较强；

(3)钢液粘稠、流动性差，且焊接时熔深偏浅；

(4)对焊接热输入范围有严格要求，小幅度超出就会带来热裂纹和粗晶风险；

(5)焊接时保护不当或焊缝过热易被氧化。

奥氏体不锈钢导热性较差，线膨胀系数和电导率较小，焊接时存在的主要问题有焊缝金属的热裂纹、焊接热影响区晶界上碳化铬的析出以及焊接接头脆化等问题。焊接时应严格控制焊接热输入，且焊前无须预热。

焊接时因为结构原因，无法进行焊缝背面清根，要求焊接时单边焊双边成型，保证背面焊缝与坡口良好熔合，对操作的要求较高。

焊后要求对焊缝进行RT检测，对这种结构的焊接质量要求是比较严的。

由于奥氏体材料易变形，为了控制焊接时管口变形，一方面采用对称施焊的方式，使焊缝应力均匀分布；另一方面增加管壁厚，将原壁厚由7 mm增加到15 mm；此外在管口外圆装防变形夹具。

2 焊接工艺评定

根据相关要求按照ASME锅炉及压力容器规范IX标准进行焊接工艺评定试验。工艺评定试板的对接焊缝焊完后，进行MT、RT检测，检查结果焊缝100%合格，抗拉强度、V型缺口冲击吸收能量、180度侧弯均能满足产品技术要求，证明通过以上工艺措施可以得到满意的焊缝。

3 焊接工艺的实施

3.1 过渡层的焊接

考虑到G17CrMo9-10淬硬性较大，焊接接头塑性及韧性较差，为防止焊接裂纹的产生，焊前需进行预热，而由于镍基焊接不需要预热，为解决这一矛盾，在G17CrMo9-10坡口一侧堆焊一层过渡层，过渡层焊前对母材进行150℃预热(见图1)，焊后缓冷至常温打磨焊缝，按ASME标准进行PT检测，其余焊缝焊接均采用冷焊。

图2 氩气保护Figure 2 Argon protection

表1 层温与焊缝表观对照表Table 1 Comparison table between layer temperature and weld appearance

3.2 对接焊缝的焊接

由于接管背面很难打磨清根，使用氩弧焊打底焊时要求单面焊双面成型，为保证背面焊缝不被氧化，在焊接时坡口背面需使用氩气保护(见图2)。

3.3 层间温度的控制

由于镍基焊材的特性，焊接过程中必须严格控制热输入和层间温度，因此，通过试验得出层间温度≤100℃时，焊缝成型最佳(见表1)。

3.4 确保焊接质量的工艺技术措施

由于镍基焊材存在上述特点，所以在焊接时需要采取特殊的工艺措施来保证焊缝质量。

(1)严格清理工件表面的异物，坡口及周边打磨抛光露出金属光泽，并用丙酮或PT清洗剂对坡口及周边进行清洗，清洗后用干净的棉纱擦拭干净，减少异物造成的焊缝裂纹和气孔缺陷。

(2)焊接要求单面焊双面成型，所以无法确保背面成型良好，可采用熔点更高的材料在焊缝背面做垫圈，辅助背面成型。

(3)氩弧焊焊接时，每焊一层应及时采用金属磨头打磨，并PT检测，若有缺陷及时打磨清除。

(4)焊接时尽量采用较小的电流、电压以及合理的气体流量。

(5)收弧位置的焊缝应采用金属磨头打磨去除并PT检测，避免因弧坑造成裂纹。

4 焊接质量的检验

4.1 外观检查

对焊缝正反面进行目视检查，未发现夹渣、咬边、未熔合、焊缝氧化等缺陷。通过管口直径检查，变形量控制在3 mm以内，满足加工要求。

4.2 无损检测结果

焊缝按照EN 12517-1:2006标准进行RT检测，结果100%合格。

5 结束语

由于镍基焊接往往是产品的最后一道工序，也是难道较大的一道工序，若处理不当，将直接影响整个产品的质量，所以焊接时要求严格控制过程，防止返修。

通过焊接工艺评定试验，从无损检测及力学性能试验结果表明，按上述工艺操作完全可以达到产品技术要求。证明此工艺科学合理，可以用以指导实际生产。