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國內外合金鋼創新焊接技術及不預熱焊條的研發應用
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2015-03-05
根據F11/F12鋼的焊接經驗，開發出多種可以不預熱焊接電站鍋爐用鋼的電焊條（J507L、J507MoWV、R307L、R317L、R407L、R817L），其中應用比較多的是J507L焊條和不預熱焊接12Cr1MoV鋼的R317L焊條。
?????? 在電站鍋爐焊接生產實踐過程中，出現了許多焊接耐熱合金鋼的特殊焊接質量問題，通過焊接基本原理分析，發現了許多可以解決上述焊接質量問題的新方法，實際應用效果比較好。為此，本文重點介紹一些電站設備制造廠焊接耐熱合金鋼的焊接新工藝和創新焊接技術。 為了便于敘述，本文將優化焊接結構、焊材、焊后工藝、焊接操作、焊接熱規范、焊後熱處理等新方法和技術措施統稱為創新焊接技術。創新焊接技術可以用于防止焊接裂紋，提高焊接接頭沖擊韌度，提高焊接接頭的使用性能，提高焊接接頭使用壽命，防止焊接接頭高溫長期運行早期失效。?1?國外焊接新工藝試驗 目前國外呈現很多應用于加氫反應器、電站鍋爐用新型耐熱鋼等方面的焊接新工藝試驗，本文以德國蒂伯公司在這兩方面的焊接新工藝試驗為例簡要介紹。
?1.1?德國蒂伯公司制造加氫反應器設備用2.25Cr-1Mo鋼的焊接新工藝 在加氫反應器設備制造過程中，特別重視焊接接頭的沖擊韌度和回火脆化問題，德國蒂伯公司已經開發出了高韌性焊接材料和焊接方法，正在開發降低焊后熱處理溫度、提高焊縫沖擊韌度的焊接新方法和焊接新工藝，其中焊接新工藝可以顯著降低焊後熱處理溫度，而且保持比較高的焊縫低溫沖擊韌度，采用焊接新工藝可以進一步提高2.25Cr-1MoV鋼的焊縫沖擊韌度，降低脆性轉變溫度，還可以顯著提高焊縫低溫沖擊韌度，降低脆性轉變溫度。盡管焊後熱處理溫度降低40℃，仍然具有比較高的沖擊韌度和比較低的脆性轉變溫度。
?1.2?德國蒂伯公司電站鍋爐用新型耐熱鋼的焊接新工藝 采用TIG方法焊接T/P23鋼的焊縫沖擊韌度比較高，即使不預熱，焊后不進行熱處理的焊縫沖擊韌度也非常高。雖然經過預熱焊接和焊後熱處理之后的SMAW和SAW焊縫沖擊韌度有所提高，但仍然大大低于TIG焊態的沖擊韌度。 與焊接T/P23鋼相似，采用TIG焊方法焊接T/P24鋼，焊縫和焊接熱影響區的沖擊韌度都比較高。適當進行焊後熱處理，可以顯著提高SMAW、SAW焊縫和焊接熱影響區的沖擊韌度。大口徑管焊接工藝評定試樣的焊縫和焊接熱影響區的沖擊韌度與母材的沖擊韌度相當。 雖然焊接接頭性能和沖擊韌度都比較滿意，但是，國內外焊接生產經驗證明，用T23、T24鋼制造水冷壁時容易發生焊接裂紋和再熱裂紋，T23懸吊管曾經發生脆斷，必須引起重視。焊接試驗和焊接生產經驗都說明，有必要進一步開發T/P23、T/P24鋼的不預熱、不熱處理、無裂紋、高韌性創新焊接技術。 采用焊接新工藝之后，焊縫沖擊韌度有所提高，但是，SMAW，SAW焊縫的沖擊韌度仍低于GTAW和母材的沖擊韌度，還有待于開發創新焊接技術，進一步提高焊縫和焊接熱影響區的沖擊韌度，以便達到母材的高水平沖擊韌度。
?2?國內創新焊接技術試驗與應用 上世紀70年代初，我國就已經采用F11/F12馬氏體耐熱鋼制造電站鍋爐，最初采用國外焊接工藝，鍋爐制造和運行過程中曾經發生焊接裂紋、焊縫脆化、早期失效等許多焊接質量問題。后來采用“創新焊接技術”焊接F11/F12鋼集箱、管道和小口徑管，效果非常好。主要創新焊接技術如下： ①?高匹配、不預熱焊接F11小口徑管（同種鋼和異種鋼）焊口，不產生焊接裂紋。 ②?無內保護的TIG打底焊，不產生內部氣孔、裂紋、氧化和過燒。 ③?可以顯著提高大口徑管對接焊口沖擊韌度的新技術，按原工藝焊接產品見證件的焊縫沖擊韌度<10J，采用創新焊接技術之后，焊縫沖擊韌度提高到>90J。 ④?異種鋼焊口有明顯碳遷移，但是，蠕變試驗和長期運行后取樣分析證明，在高溫長期運行條件下，脫碳層逐漸消失，不降低長期運行蠕變斷裂強度和使用壽命，不發生發生早期失效。主蒸汽F11+15Cr1Mo1V異種鋼焊口爆管的失效分析結果證明，爆管的主要原因與脫碳層無關，異種鋼焊口爆管的真正原因是再熱裂紋和結構應力集中。 ⑤?上海鍋爐廠有十多臺300MW電站鍋爐采用F11馬氏體耐熱鋼，采用創新焊接技術之后，全部F11焊口在鍋爐制造廠施工過程中未再發現焊接氣孔和焊接裂紋。焊接見證件的力學性能、沖擊韌度、焊接接頭硬度都非常滿意。 ⑥?采用創新焊接技術可以顯著提高鍋爐廠焊口的壽命，安全運行30年無事故，未發生焊接質量事故。采用國外焊接技術焊接的異種鋼焊口中，已有十多個F11異種鋼焊口運行2萬-8萬h發生斷裂或者泄漏。 上海鍋爐廠原采用國外焊接工藝達不到產品焊接技術要求，多次發生焊接裂紋，產品見證件的沖擊韌度<10J。后來進行26次焊材和焊接工藝評定對比試驗，均證明“創新焊接技術”優于當時外國公司提供的焊接工藝。
?3?不預熱焊條的開發與應用 根據F11/F12鋼的焊接經驗，開發出多種可以不預熱焊接電站鍋爐用鋼的電焊條（J507L、J507MoWV、R307L、R317L、R407L、R817L），其中應用比較多的是J507L焊條和不預熱焊接12Cr1MoV鋼的R317L焊條。 采用R317L焊條，焊縫和熱影響區的沖擊韌度都比較高，即使不預熱不熱處理焊接，焊縫和焊接熱影響區的沖擊韌度也能達到相關焊接技術標準要求，特別值得注意的是焊接熱影響區的焊態沖擊韌度非常高。 三種類型焊接工藝評定的焊縫常溫機械性能區別不太大，沖擊韌度有比較大的區別。采用創新焊接技術之后，焊縫和焊接熱影響區沖擊韌度有顯著提高，焊接熱影響區沖擊韌度可以達到母材沖擊韌度的相同水平。 由焊接工藝評定試驗結果可見，焊接工藝評定試樣相同，焊接工藝、化學成分、抗拉強度、屈服強度、冷彎角、硬度、金相組織均無明顯差別，但是焊縫和焊接熱影響區沖擊韌度有顯著差別（兩者焊縫的沖擊韌度相差4-5倍，焊接熱影響區的沖擊韌度相差30%）。由此可見，創新焊接技術對焊縫的沖擊韌度的影響非常大，對焊接熱影響區的沖擊韌度也有一定的影響。特別值得注意的是母材、焊縫、熱影響區的硬度和沖擊韌度非常均勻。? 以上焊接實例充分說明，在電站鍋爐制造過程中，采用創新焊接技術的優點如下： ①?可以不預熱焊接，不產生焊接裂紋。 ②?可以顯著提高焊縫和焊接熱影響區的沖擊韌度。? ③?可以實現耐熱鋼不熱處理焊接。 ④?可以顯著提高耐熱鋼焊接接頭的高溫運行壽命。
?4?試驗小結 隨著控軋控冷鋼、微合金化鋼、低碳馬氏體鋼、低碳貝氏體鋼、新型馬氏體耐熱鋼的出現，鋼材強度、焊接性和沖擊韌度有了顯著提高，相比之下，焊接技術、焊接試驗方法和焊接基本理論都比較落后，盡管嚴格加強焊接管理，也有時發生焊接裂紋和焊接接頭早期失效，急待開發和應用創新焊接技術。 在焊接生產實踐中，發現了可以解決合金鋼焊接質量難題的新途徑，開發一系列創新焊接技術，可以顯著降低焊接裂紋敏感性，提高焊縫和焊接熱影響區的沖擊韌度和蠕變斷裂強度，從而杜絕服役過程中焊縫和焊接熱影響區發生早期失效。 創新焊接技術具有擴散氫低、焊接應力低、焊縫金相組織細化、蠕變斷裂強度高、焊縫和焊接熱影響區的硬度低等特點。即使是最難焊接F11/F12馬氏體耐熱鋼，采用創新焊接技術之后，在焊接生產過程中也未再發現焊接裂紋，焊接接頭近30年服役過程中未發生早期失效，甚至不預熱/不熱處理焊接的厚壁集箱管座角焊縫，也具有非常高的抗沖擊脆斷性能。 采用創新焊接技術焊接F11/F12與珠光體耐熱鋼的異種鋼焊口，雖然有明顯的碳遷移，但是，在焊接生產和服役過程中，未發現焊接裂紋和早期失效。 試驗表明：創新焊接技術不僅適用于耐熱鋼，也適用于其他合金鋼焊接。?
5?建議 建議開展以下創新焊接新技術應用課題研究： ①?合金鋼焊接新技術的研究與應用（開發超低氫、無裂紋、組織細化、低硬度、高韌性、高溫運行“不失效”的焊接新材料和新工藝）； ②?1%-12%Cr耐熱鋼的不預熱、不熱處理的焊接新技術研究與應用； ③?低合金結構鋼、高強鋼不預熱/不熱處理的焊接新技術研究與應用； ④?低合金結構鋼、耐熱鋼的“高韌性”焊接新技術研究與應用； ⑤?異種耐熱鋼焊接新技術研究與應用； ⑥?耐熱鋼焊接接頭“無早期失效”的焊接新技術研究與應用； ⑦?焊接裂紋、異種鋼碳遷移、組織脆化、沖擊韌度、焊接接頭早期失效的機理分析。
6?展望 隨著國外鋼材和焊接技術的發展，我國焊接技術也有了迅速提高，新型耐熱鋼的大量應用，積累了許多寶貴的焊接經驗，發現了許多創新焊接技術，同時也發現了一些焊接新問題，例如主蒸汽管道微裂紋和早期失效、Ⅳ型蠕變裂紋、T23膜式壁焊接裂紋和焊接脆化、集箱焊縫表面裂紋、焊接接頭脆化和早期失效、密封罩、熱電偶管座焊縫早期失效等焊接新問題，需要焊接工作者采用創新焊接技術加以解決。
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