异种钢Super 304H与HR3C焊接工艺实践研究

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【摘要】本文主要结合工程实际，针对Super 304H与HR3C对接选用Thermanit 617和YT-HR3C两种焊丝的焊接工艺评定试验结果，从施工工艺和操作难度上进行比较，确定最适合施工安装操作的工艺，并结合工程实际应用中出现的问题总结归纳了相应的质量控制要点。

【关键词】Super 304H;HR3C; 超超临界机组;焊接

1.引言

国内目前在建的超超临界机组中HR3C和Super 304H两种钢材逐渐被大量使用，对应这两种钢材的焊接材料国内外都已研发并应用，关于单纯的这两种钢材的焊接工艺研究和实践也已经在很多单位开展，但对于这两种钢材对接的焊接工艺应用目前尚不是很多。我公司承建的某工程超超临界机组为全悬吊结构Π型锅炉。3#锅炉末级再热器共有Super 304H与HR3C对接焊口656只（见表1）。为了满足工程需要，我们分别采用Thermanit 617和YT-HR3C两种焊丝进行了Super 304H、HR3C异种钢对接工艺评定，并在过程中对这两种工艺进行了比对、研究，确定了最终工艺方案。结合对施工数据的分析和过程管理的总结提出了相应的控制要点。

表1 某工程2×660MW锅炉末级再热器HR3C与super 304h对接情况

项目名称 材质 规格 数量

末级再热器出口过渡段焊接 Super 304H/hr3c Φ57×4.5/57×4 656

2.母材与焊材的特点

Super 304H和HR3C均属于细晶粒奥氏体耐热不锈钢。关于他们的特性和焊接性能很多文献当中已经有非常详细的论述，这里不再详细展开，两种钢材化学成分见表2;本次工程中使用的Thermanit 617和YT-HR3C两种焊丝的化学成分见表3。

表2 化学成分（%）

成分 C Mn Si Cr Cu N Ni Al B Nb S P

Super 304H min 0.07 ― ― 17.0 2.5 0.05 7.50 0.003 0.001 0.30 ― ―

max 0.13 1.0 0.30 19.0 3.5 0.12 10.5 0.030 0.010 0.60 0.01 0.04

HR3C min 0.04 ― ― 24.0 ― 0.15 17.0 ― ― 0.20 ― ―

max 0.10 2.0 0.75 26.0 ― 0.35 23.0 ― ― 0.40 0.03 0.03

表3 焊丝化学成分

C Mn Si Cr Cu N Ni Al Mo Nb+Ta Fe Ti Co

YT-HR3C 0.05 1.42 0.29 27.12 2.99 0.28 19.89 0.03 0.91 0.44 ― ―

Thermanit 617 0.06

从钢材和焊材的化学成分表里面可以看出， YT-HR3C的化学成分和HR3C母材的化学成分大部分元素基本相似，但也有一些不同，如HR3C母材中不含Cu而焊材YT-HR3C中含有2.99%的Cu，而且两种焊材中均加入了Mo（YT-HR3C含有0.91%、Thermanit 617含有8.70%）。同时，与母材和YT-HR3C相比，ERNiCrCoMo-1属于镍基合金焊材，除了含有10.8%的Co以外，Ni的含量达到了54.9%。

根据相关文献的介绍，有关化学成分的加入考虑了以下因素[3]：

Ni：Ni属于奥氏体稳定元素，能降低奥氏体化温度，对焊缝的回火温度有较大影响，并提高钢的韧性;

Co：适量的加入Co可有效替代Ni的作用而使焊缝金属获得稳定的室温冲击韧性，并可提高基蠕变强度;

Mo：Mo的加入，有利于形成碳化物，使焊缝具有高温稳定性，并提高焊缝的高温强度;

Cu：Cu属于微量元素，在YT-HR3C中加了2.99%，其主要作用在于在奥氏体钢中形成强化项，提高抗腐蚀性能，但Cu容易与S发生化学反映，生成CuS或者Cu2S，这两种化合物稳定存在，妨碍钝化膜的延续性和完整性，应控制Cu的含量。

3.焊接工艺评定情况

3.1 工艺评定结果

我们根据DL/T 868和相关国家标准的要求分别采用Thermanit 617和YT-HR3C两种焊丝进行了Super 304H、HR3C异种钢对接手工钨极氩弧焊方法的焊接工艺评定，两种工艺评定的试验结果均符合相关规程的要求。根据工艺评定结果所得出的焊接工艺参数见表4。

表4 焊接工艺评定所确定的参数

焊材 评定报告编号 焊接方法 规格 焊接位置 坡口形式 对口间隙 焊接电流（A） 焊接电压（V） 焊接速度（Min）

YT-HR3C 2013-R-03 WS Φ42×7 5G V 2-3 80-95 10-12 50-70

Thermanit 617 2012-R-05 WS Φ42×8 5G V 2-3 80-105 10-12 45-70

3.2 工艺评定的焊接过程对比

从工艺评定过程来看，两种焊材在焊接过程中焊道收弧处都会形成一层薄膜，须采用机械方法对接头位置进行打磨，以确保焊道之间更好的熔合。YT-HR3C焊丝熔池比较清晰，易于观察;Thermanit 617焊丝在每次熔池结晶后焊缝表面的金属氧化物杂质比较多，打磨量也比较大，另外ERNiCrCoMo-1焊丝容易出现未熔合，尤其是打底封口位置，焊丝熔化后的流动性也较差，不易带动，操作难度稍大。

根据上述比对最终确定现场采用YT-HR3C工艺进行工程实体施工。

4.工程施工中的控制要点及解决措施

4.1 工程施工情况

工程实体中656只焊口均为5G位置，一侧为管屏，一侧为异形散管。施工中采用单人施焊。按照施工合同要求所有焊口进行100%RT+100%PT进行无损检测。共计产生不合格焊口12只，具体统计数据见表5。

4.2 主要缺陷产生的原因分析

通过统计可以看出此类接头在焊接过程中产生的最主要缺陷为未熔合，其次为内凹，另外还有少许其他缺陷。缺陷产生的主要位置为8-1区（正平焊打底收口位置）。结合现场实际施工的情况来看，我们认为这些缺陷产生的主要原因有以下几个方面。

表5 不合格焊口数据统计

按缺陷类别划分 未熔合 内凹 气孔 生丝 缺陷总数

7 3 1 1 12

按缺陷位置划分 8-1区 2-3区 4-5区 6-7区 缺陷总数

10 0 1 1 12

4.2.1 内充氩保护措施不当的影响。这是导致未熔合和内凹缺陷产生的一个主要原因。根据施工缺陷产生后的分析和焊工个人回忆的比对，在采用水溶纸制作内充氩保护气室时如果处理不当会导致两个不良后果：一方面气室空间内气体温度升高导致焊接层间温度不宜控制，这是导致打底收口接头未熔合的主要原因;另一方面气室过于紧密导致打底收口时气室内部气压偏高使熔池受到向外顶的压力，这将有可能导致内凹的缺陷产生。此种缺陷的典型特征为焊缝内表面出现的圆形“肚脐状”凹坑。

4.2.2 空气湿度对焊缝接头质量影响较大。通过现场施工实践总结我们得出使用YT-HR3C焊丝对Super 304H/HR3C异种钢接头进行焊接时，空气湿度对焊缝接头质量有明显的干扰，当空气湿度达到一定水平时甚至可能出现铁水与母材无法熔合的现象。

4.2.3 层间温度控制不严格。奥氏体不锈钢焊接过程对于焊缝层间温度的控制要求非常严格，在现场施工过程中经常容易出现的状况是作业人员急于将施工任务尽快完成而忽略了工艺要求，在同一个焊接接头上连续不间断的作业，从而导致层间温度过高，焊缝金属表面氧化严重，再加上层间清理不够彻底，就极容易导致缺陷产生。现场对口间隙控制在2～3mm之间，在封口处间隙会因产生的轴向收缩而变小，导致熔池与两侧母材不能很好地熔合。另外，两侧母材壁厚也有偏差，间隙过小容易产生未熔合缺陷，间隙过大在仰焊位置容易产生内凹缺陷。

4.2.4 层间清理不彻底。在此种焊接接头中无论是焊材还是母材合金含量都非常高，易氧化，如果在收弧时氩气保护稍有不到位就会在表面形成一层氧化膜，而这种氧化膜又是比较难于去除的，所以如果层间清理不到位很容易导致焊道接头处的未熔合缺陷产生。

4.2.5 焊工施工经验不足，打底层焊道封口时电流过小。打底封口时，熔池与两侧焊缝的熔合需要较大的热能量，电流过小会导致接头区域热输入较低，导致未熔合，当两侧焊缝接头过厚时，现场尤为明显。

4.3 施工过程的控制重点和缺陷预防措施

通过对施工过程的总结和典型缺陷产生的原因分析，我们提出以下施工控制重点和缺陷预防措施。

4.3.1 注意充氩气室的制作和内充氩保护氩气流量的控制。施工中采用焊接水溶纸进行气室制作，打底封口前保持散管内的氩气流动1-2min，确保焊缝附近的气体得到置换，封口时将散管端管打开1/4缺口，保证氩气的正常流通。

4.3.2 加强施工过程控制，注意工艺细节。对口前对壁厚一侧管件进行打磨，减小两侧母材偏差，对口间隙控制在3mm。适当加大打底封口电流，根据个人情况，比其他位置焊接电流增加10-15A。打底封口前将两侧焊缝机械打磨成斜坡状，使得熔池与焊缝有效熔合，为保证质量，所有接头前都对焊缝进行打磨。控制好施焊的层间温度，以100℃以内为宜。

4.3.3 注意对焊工的培训和选拔，重视技术统计数据分析，无损检测要及时以便于跟踪焊工个人质量波动，及时调整。

5.结论

（1）从工艺评定和实验结果来看，采用YT-HR3C和Thermanit 617焊丝进行HR3C和Super 304H对接焊接均是可行的，对接接头在力学性能等方面均能满足相关技术要求。

（2）YT-HR3C焊丝在用于HR3C和Super 304H对接上的可操作性要优于Thermanit 617焊丝。

（3）要保证HR3C和Super 304H不锈钢焊接焊缝工艺质量，需要从施工各个环节严格把握，现场施工中最容易出现的缺陷是未熔合和内凹，尤其在打底焊道收口部位，其中内充氩保护的效果与缺陷产生的关系明显。

参考文献

[1]杨富，章应霖，任永宁，等.新型耐热钢焊接[M].北京：中国电力出版社，2007.

[2]王立玉.采用Thermanit 617焊丝焊接Super304H和HR3C钢的实践.超（超）临界锅炉用钢及焊接技术协作网第三次论坛大会论文集.

[3]史文渊，张兆弟，冯建辉，等.SUPER 304H及HR3C选用镍基焊材的焊接工艺及实际操作研究.超（超）临界锅炉用钢及焊接技术协作网第二次论坛大会论文集.