国内外合金钢创新焊接技术及不预热焊条的研发应用

在电站锅炉焊接生产实践过程中，出现了许多焊接耐热合金钢的特殊焊接质量问题，通过焊接基本原理分析，发现了许多可以解决上述焊接质量问题的新方法，实际应用效果比较好。为此，本文重点介绍一些电站设备制造厂焊接耐热合金钢的焊接新工艺和创新焊接技术。

　　为了便于叙述，本文将优化焊接结构、焊材、焊后工艺、焊接操作、焊接热规范、焊後热处理等新方法和技术措施统称为创新焊接技术。创新焊接技术可以用于防止焊接裂纹，提高焊接接头冲击韧度，提高焊接接头的使用性能，提高焊接接头使用寿命，防止焊接接头高温长期运行早期失效。

　　1 国外焊接新工艺试验

　　目前国外呈现很多应用于加氢反应器、电站锅炉用新型耐热钢等方面的焊接新工艺试验，本文以德国蒂伯公司在这两方面的焊接新工艺试验为例简要介绍。

　　1.1 德国蒂伯公司制造加氢反应器设备用2.25Cr-1Mo钢的焊接新工艺

　　在加氢反应器设备制造过程中，特别重视焊接接头的冲击韧度和回火脆化问题，德国蒂伯公司已经开发出了高韧性焊接材料和焊接方法，正在开发降低焊后热处理温度、提高焊缝冲击韧度的焊接新方法和焊接新工艺，其中焊接新工艺可以显著降低焊後热处理温度，而且保持比较高的焊缝低温冲击韧度，采用焊接新工艺可以进一步提高2.25Cr-1MoV钢的焊缝冲击韧度，降低脆性转变温度，还可以显著提高焊缝低温冲击韧度，降低脆性转变温度。尽管焊後热处理温度降低40℃，仍然具有比较高的冲击韧度和比较低的脆性转变温度。

　　1.2 德国蒂伯公司电站锅炉用新型耐热钢的焊接新工艺

　　采用TIG方法焊接T/P23钢的焊缝冲击韧度比较高，即使不预热，焊后不进行热处理的焊缝冲击韧度也非常高。虽然经过预热焊接和焊後热处理之后的SMAW和SAW焊缝冲击韧度有所提高，但仍然大大低于TIG焊态的冲击韧度。

　　与焊接T/P23钢相似，采用TIG焊方法焊接T/P24钢，焊缝和焊接热影响区的冲击韧度都比较高。适当进行焊後热处理，可以显著提高SMAW、SAW焊缝和焊接热影响区的冲击韧度。大口径管焊接工艺评定试样的焊缝和焊接热影响区的冲击韧度与母材的冲击韧度相当。

　　虽然焊接接头性能和冲击韧度都比较满意，但是，国内外焊接生产经验证明，用T23、T24钢制造水冷壁时容易发生焊接裂纹和再热裂纹，T23悬吊管曾经发生脆断，必须引起重视。焊接试验和焊接生产经验都说明，有必要进一步开发T/P23、T/P24钢的不预热、不热处理、无裂纹、高韧性创新焊接技术。

　　采用焊接新工艺之后，焊缝冲击韧度有所提高，但是，SMAW，SAW焊缝的冲击韧度仍低于GTAW和母材的冲击韧度，还有待于开发创新焊接技术，进一步提高焊缝和焊接热影响区的冲击韧度，以便达到母材的高水平冲击韧度。

　　2 国内创新焊接技术试验与应用

　　上世纪70年代初，我国就已经采用F11/F12马氏体耐热钢制造电站锅炉，最初采用国外焊接工艺，锅炉制造和运行过程中曾经发生焊接裂纹、焊缝脆化、早期失效等许多焊接质量问题。后来采用“创新焊接技术”焊接F11/F12钢集箱、管道和小口径管，效果非常好。主要创新焊接技术如下：

　　① 高匹配、不预热焊接F11小口径管（同种钢和异种钢）焊口，不产生焊接裂纹。

　　② 无内保护的TIG打底焊，不产生内部气孔、裂纹、氧化和过烧。

　　③ 可以显著提高大口径管对接焊口冲击韧度的新技术，按原工艺焊接产品见证件的焊缝冲击韧度<10J，采用创新焊接技术之后，焊缝冲击韧度提高到>90J。

　　④ 异种钢焊口有明显碳迁移，但是，蠕变试验和长期运行后取样分析证明，在高温长期运行条件下，脱碳层逐渐消失，不降低长期运行蠕变断裂强度和使用寿命，不发生发生早期失效。主蒸汽F11+15Cr1Mo1V异种钢焊口爆管的失效分析结果证明，爆管的主要原因与脱碳层无关，异种钢焊口爆管的真正原因是再热裂纹和结构应力集中。

　　⑤ 上海锅炉厂有十多台300MW电站锅炉采用F11马氏体耐热钢，采用创新焊接技术之后，全部F11焊口在锅炉制造厂施工过程中未再发现焊接气孔和焊接裂纹。焊接见证件的力学性能、冲击韧度、焊接接头硬度都非常满意。

　　⑥ 采用创新焊接技术可以显著提高锅炉厂焊口的寿命，安全运行30年无事故，未发生焊接质量事故。采用国外焊接技术焊接的异种钢焊口中，已有十多个F11异种钢焊口运行2万-8万h发生断裂或者泄漏。

　　上海锅炉厂原采用国外焊接工艺达不到产品焊接技术要求，多次发生焊接裂纹，产品见证件的冲击韧度<10J。后来进行26次焊材和焊接工艺评定对比试验，均证明“创新焊接技术”优于当时外国公司提供的焊接工艺。

　　3 不预热焊条的开发与应用

　　根据F11/F12钢的焊接经验，开发出多种可以不预热焊接电站锅炉用钢的电焊条（J507L、J507MoWV、R307L、R317L、R407L、R817L），其中应用比较多的是J507L焊条和不预热焊接12Cr1MoV钢的R317L焊条。

　　采用R317L焊条，焊缝和热影响区的冲击韧度都比较高，即使不预热不热处理焊接，焊缝和焊接热影响区的冲击韧度也能达到相关焊接技术标准要求，特别值得注意的是焊接热影响区的焊态冲击韧度非常高。

　　三种类型焊接工艺评定的焊缝常温机械性能区别不太大，冲击韧度有比较大的区别。采用创新焊接技术之后，焊缝和焊接热影响区冲击韧度有显著提高，焊接热影响区冲击韧度可以达到母材冲击韧度的相同水平。　　由焊接工艺评定试验结果可见，焊接工艺评定试样相同，焊接工艺、化学成分、抗拉强度、屈服强度、冷弯角、硬度、金相组织均无明显差别，但是焊缝和焊接热影响区冲击韧度有显著差别（两者焊缝的冲击韧度相差4-5倍，焊接热影响区的冲击韧度相差30%）。由此可见，创新焊接技术对焊缝的冲击韧度的影响非常大，对焊接热影响区的冲击韧度也有一定的影响。特别值得注意的是母材、焊缝、热影响区的硬度和冲击韧度非常均匀。

　　以上焊接实例充分说明，在电站锅炉制造过程中，采用创新焊接技术的优点如下：

　　① 可以不预热焊接，不产生焊接裂纹。

　　② 可以显著提高焊缝和焊接热影响区的冲击韧度。

　　③ 可以实现耐热钢不热处理焊接。

　　④ 可以显著提高耐热钢焊接接头的高温运行寿命。

　　4 试验小结

　　随着控轧控冷钢、微合金化钢、低碳马氏体钢、低碳贝氏体钢、新型马氏体耐热钢的出现，钢材强度、焊接性和冲击韧度有了显著提高，相比之下，焊接技术、焊接试验方法和焊接基本理论都比较落后，尽管严格加强焊接管理，也有时发生焊接裂纹和焊接接头早期失效，急待开发和应用创新焊接技术。

　　在焊接生产实践中，发现了可以解决合金钢焊接质量难题的新途径，开发一系列创新焊接技术，可以显著降低焊接裂纹敏感性，提高焊缝和焊接热影响区的冲击韧度和蠕变断裂强度，从而杜绝服役过程中焊缝和焊接热影响区发生早期失效。

　　创新焊接技术具有扩散氢低、焊接应力低、焊缝金相组织细化、蠕变断裂强度高、焊缝和焊接热影响区的硬度低等特点。即使是最难焊接F11/F12马氏体耐热钢，采用创新焊接技术之后，在焊接生产过程中也未再发现焊接裂纹，焊接接头近30年服役过程中未发生早期失效，甚至不预热/不热处理焊接的厚壁集箱管座角焊缝，也具有非常高的抗冲击脆断性能。

　　采用创新焊接技术焊接F11/F12与珠光体耐热钢的异种钢焊口，虽然有明显的碳迁移，但是，在焊接生产和服役过程中，未发现焊接裂纹和早期失效。

　　试验表明：创新焊接技术不仅适用于耐热钢，也适用于其他合金钢焊接。

　　5 建议

　　建议开展以下创新焊接新技术应用课题研究：

　　① 合金钢焊接新技术的研究与应用（开发超低氢、无裂纹、组织细化、低硬度、高韧性、高温运行“不失效”的焊接新材料和新工艺）；

　　② 1%-12%Cr耐热钢的不预热、不热处理的焊接新技术研究与应用；

　　③ 低合金结构钢、高强钢不预热/不热处理的焊接新技术研究与应用；

　　④ 低合金结构钢、耐热钢的“高韧性”焊接新技术研究与应用；

　　⑤ 异种耐热钢焊接新技术研究与应用；

　　⑥ 耐热钢焊接接头“无早期失效”的焊接新技术研究与应用；

　　⑦ 焊接裂纹、异种钢碳迁移、组织脆化、冲击韧度、焊接接头早期失效的机理分析。　　

　　6 展望

　　随着国外钢材和焊接技术的发展，我国焊接技术也有了迅速提高，新型耐热钢的大量应用，积累了许多宝贵的焊接经验，发现了许多创新焊接技术，同时也发现了一些焊接新问题，例如主蒸汽管道微裂纹和早期失效、Ⅳ型蠕变裂纹、T23膜式壁焊接裂纹和焊接脆化、集箱焊缝表面裂纹、焊接接头脆化和早期失效、密封罩、热电偶管座焊缝早期失效等焊接新问题，需要焊接工作者采用创新焊接技术加以解决。