Super304H(A213-S30432)焊接工艺浅析

Super304H(A213-S30432)焊接工艺浅析

刘聪

中国能源建设集团东北电力第一工程有限公司辽宁沈阳110179

摘要：本文对新型奥氏体耐热钢Super304H(A213-S30432)进行简单介绍，分析了该钢种的焊接性及焊接技术要点，结合我公司的工程实例对焊接该钢种所采取的焊接工艺方法及所遇到的质量问题进行了总结。

关键词：Super304H(A213-S30432)；焊接

随着我国超超临界（USC）机组高速发展，新型奥氏体耐热钢Super304H(A213-S30432)在USC机组的高温部件过热器和再热器上被大量采用，本文对该钢种的焊接性及焊接技术要点进行分析，并结合工程实例，总结一下这种钢材在施工现场安装过程中的焊接工艺。

1Super304H的化学成分及力学性能

Super304H钢是一种改良自高碳18Cr-8Ni（TP304H）类不锈钢而开发出的新型奥氏体耐热钢。与传统的TP304H类钢种相比，其主要的合金化措施是在材料中加入了大约3%的铜、0.4%的铌以及少量的氮元素，同时提高了碳的含量范围；其它的微合金化还包括微量的铝和硼元素的加入。在高温服役条件下，Super304H钢的显微组织中会析出非常细小并弥散分布于奥氏体基底中的碳化物、碳-氮化物，如M23C6、Nb(C,N)和NbCrN等。Super304H钢的基体晶粒内还会形成非常细小的富铜化合物(尺寸约为15-50nm)，且研究发现这种富铜化合物的析出与其它析出相的生成是相互独立而互不影响的，从而可以同时利用它们的强化作用。这些弥散分布的析出相的共同作用，使材料的力学性能，特别是高温蠕变性能得到了显著的提高。大量的性能试验表明该钢的组织和力学性能稳定，而且价格便宜，是超超临界锅炉过热器、再热器的首选材料。

2Super304H钢的焊接性能分析

2.1晶间腐蚀倾向

晶间腐蚀是奥氏体耐热钢一种极其危险的破坏形式。一般沿晶开始腐蚀，从表面上看，一般不易发觉，但它使承压管道焊接头的力学性能显著下降和容易发生早期破坏。在碳质量分数高于0.02%的奥氏体不锈钢中，碳与铬能生成碳化物（Cr23C6）。这些碳化物高温淬火时呈固溶态溶于奥氏体中，铬呈均匀分布，使合金各部分铬质量分数均在钝化所需值，即12%Cr以上。合金具有良好的耐蚀性。这种过饱和固溶体在室温下虽然暂时保持这种状态，但它是不稳定的。如果加热到敏化温度范围(500～850℃)内，晶界上就会形成敏化组织即晶界上析出的连续的、网状的碳化物（Cr23C6），铬便从晶粒边界的固溶体中分离出来。由于铬的扩散速度缓慢，远低于碳的扩散速度，不能从晶粒内固溶体中扩散补充到边界，因而只能消耗晶界附近的铬，造成晶粒边界贫铬区。贫铬区的含铬量远低于钝化所需的极限值，其电位比晶粒内部的电位低，更低于碳化物的电位。贫铬区和碳化物紧密相连，当遇到一定腐蚀介质时就会发生短路电池效应。该情况下碳化铬和晶粒呈阴极，贫铬区呈阳极，迅速被侵蚀。而在实际焊接过程中经过测量发现，焊接接头往往在400℃~550℃这个温度区间停留的时间最长，应对475℃多加关注脆性问题。

2.2应力腐蚀裂纹倾向

应力腐蚀裂纹是应力和腐蚀联合作用引起的一种低应力脆性裂纹。奥氏体不锈钢线膨胀系数大，导热性差，在结构复杂、刚度较大的情况下，焊接变性受到约束，焊后构件特别是焊接接头存在较大的焊接残余应力，而奥氏体不锈钢存在晶间腐蚀和介质的全腐蚀，满足了产生应力腐蚀裂纹充要条件，从而使奥氏体不锈钢产生应力腐蚀裂纹的倾向大。一般晶间应力腐蚀裂纹最常见，晶内和晶间/晶内混合不常见。应力腐蚀裂纹的形态特征具有垂直性和多源性。垂直性是宏观的应力腐蚀断裂，裂纹基本上垂直于拉应力，无塑性变形，具有脆性断裂裂缝的特点。多源性是在一个显微视场内常可看到多条裂缝，裂缝呈很多“之”字型分枝、裂缝尾部较尖。有时在裂源处还可发现小的腐蚀凹坑，且裂缝大多数是穿晶型的。当晶内强度小于晶界强度时，裂纹往往以穿晶扩展为主，反之以沿晶扩展为主。但当应力较低时，而晶界产生腐蚀，那么即使晶内强度小于晶界强度，也会产生沿晶裂纹。

2.3热裂纹倾向

热裂纹主要有结晶裂纹和液化裂纹两种形式，结晶裂纹是结晶后期，由于低熔点共晶形成液态薄膜消弱了晶粒间的联系，在拉应力作用下发生开裂的裂纹；液化裂纹是指近缝区或多层间部位在热循环的作用下金属重新熔化，在拉伸力的作用下，沿奥氏体晶界开裂的裂纹。

2.4疲劳裂纹倾向

由于机组的频繁启停，容易在设备的高应力区域出现疲劳裂纹，此裂纹很难被发现，危害性极强。焊接接头存在缺陷（气孔、夹渣、夹钨、未熔合）的区域附近容易出现此裂纹。

3工程应用焊接实例

我公司承建的600MW火电机组，锅炉末级再热器材质为Super304H，规格为Φ60×4mm和Φ63.5×4mm，共有1190道焊口。

3.1焊接方法

根据上述Super304H钢的焊接特点，采用线能量集中的手工钨极氩弧焊工艺（GTAW）打底和盖面，根层内壁充氩气保护的焊接方法进行焊接。此工艺有利于打乱柱状晶体的方向和杂质的聚集，避免出现根部氧化及较大的内应力和偏析，减小晶间腐蚀，降低热裂纹倾向。

3.2焊材选用

经过焊接工艺评定，我公司采用617合金类镍基合金材料焊接Super304H钢。617类镍基合金焊材不仅具有良好的焊接工艺性能和抗焊接热裂纹性能，焊缝金属常温力学性能，尤其是强度充分满足母材的要求。更重要的是617合金的焊缝金属组织在长期高温服役下具有很好的显微结构稳定性和理想的蠕变强度，以及优良的抗高温蠕变和氧化及腐蚀性能，其蠕变断裂强度能够充分匹配Super304H奥氏体耐热钢母材的相应性能。

3.3焊接工艺参数

通过焊接工艺评定，我公司采用焊接工艺参数见表1。

表1Super304H焊接工艺参数

4结论

综上所述可知，Super304H钢合金含量较高、熔池铁水流动性差、现场焊接位置困难等特点，因此，焊接这种材料时，对焊接规范、焊工操作技能以及焊口组对的要求就更高、更严格。需做好以下几点：

1）做好焊接工艺评定，选定合适的焊接工艺参数。

2）严格执行焊接工艺，严格的控制层间温度，控制焊接电流和焊道厚度，才能够保证焊接质量。

3）提高焊工的素质，加强焊工的理论知识和操作技能培养和自我质量意识，激发他们的积极性，创造性，不断总结提高。

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，2006

[2]朱平，赵建仓等《SUPER304H奥氏体耐热钢焊接材料匹配与接头性能研究》2005

[3]张筑耀，《采用镍基合金焊材焊接超级304（Super304H)钢》2007

[4]东电四公司焊接工艺评定