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　　摘要：本文针对目前国内超超临界锅炉过热器、再热器高温段所用新型奥氏体耐热钢，主要分析了Super304H钢和HR3C钢的焊接性及存在的技术难点，并简要综述了上述两种奥氏体耐热钢的焊接研究现状，旨在为新型奥氏体耐热钢在国内的焊接应用提供一点借鉴。

　　关键词：奥氏体耐热钢；焊接；电站锅炉

　　0引言

　　随着电力工业的发展和全球对环境问题的日益关注，发展高效、节能、环保的大容量电站锅炉已引起国内外的高度重视。我国的一次能源结构是以燃煤发电为主，在众多的燃煤发电技术中，发展超（超）临界发电技术是最现实可行的途径。通过提高蒸汽温度和压力，使机组的热效率大幅提高，供电煤耗下降。面对更高的蒸汽温度和压力，传统的耐热钢已很难满足要求，例如超超临界锅炉在605/603℃的蒸汽温度下高温过热器和再热器管的金属壁温为650/670℃，金属管外壁温达到700℃以上，这种情况下，锅炉过热器、再热器高温段的材料只能采用奥氏体耐热钢。在新型奥氏体耐热钢中，Super304H钢和HR3C钢是首选[1]。

　　1新型奥氏体耐热钢简介

　　Super304H钢是日本在18-8奥氏体耐热钢基础上开发成功的一种经济型奥氏体耐热钢，由于Cu、Nb、N的多元复合强化作用，获得了极高的蠕变断裂强度，Super304H钢许用应力在600℃～650℃较TP347H钢高220%以上。该钢的组织和力学性能稳定，高温抗氧化性能突出，且价格便宜，是超超临界锅炉过热器、再热器热段用料的首选。

　　HR3C钢是日本住友公司在TP310基础上添加Nb和N元素，利用弥散析出微细的金属间化合物NbCrN和Nb的碳、氮化合物以及M23C6碳化物对310钢进行强化改良的钢种[2]。该钢种的综合性能比TP300系列奥氏体钢都更为优良，所以，当TP347H钢乃至新型奥氏体耐热钢Super304H钢不能满足向火侧抗烟气腐蚀和内壁抗蒸汽氧化的工况下，应选用HR3C钢。

　　2新型奥氏体耐热钢焊接性分析

　　由于奥氏体耐热钢热传导性差，热膨胀系数大以及合金含量较高，给焊接带来了一定的困难，新型奥氏体耐热钢焊接时容易出现焊接裂纹、晶间腐蚀和时效脆化等问题。

　　2.1焊接裂纹

　　由于奥氏体组织热膨胀系数大，导热率低，在焊接接头附近的温度场和变形量极不均匀，熔融的焊缝金属在凝固过程中，当残留在凝固晶粒间的液体薄膜被收缩应力拉开而又不能有足够的液体金属填充满时，就会形成结晶裂纹，这种裂纹极易出现在焊缝收尾部分和弧坑处。在焊接热影响区的过热区，焊接的高温加热使该区域母材熔化，在冷却时的凝固过程中易形成高温液化裂纹。高温液化裂纹常发生在热影响区的母材过热区，在多层多道焊情况下，也可能发生在焊缝中的焊层间和焊道间的结合处。另外，在焊接热影响区的过热区，材料虽没有发生局部熔化，但在高温下如果其塑性降到很低水平的话，也可能在残余应力作用下形成高温脆性裂纹。

　　上述裂纹的形成与材料中的合金元素含量有关，其中Ni、Nb是必需按量加入的，因此，随着Cr、Ni含量的提高，对C、S、P含量的限制就越加严格，控制的含量水平越低，越能避免这类裂纹的形成，这个原则成为在选择和设计融敷金属成分的准则。

　　2.2晶间腐蚀

　　晶间腐蚀是奥氏体耐热钢一种极其危险的破坏形式，针对焊接接头也不例外，晶间腐蚀一般沿晶界开始腐蚀，从外观上看，该腐蚀一般不易察觉，但它使焊接接头的力学性能显著下降，容易使焊接构件发生早期破坏。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，应对该区间容易发生的脆性问题多加关注。

　　2.3时效脆化

　　奥氏体耐热钢含有众多提高其高温蠕变强度的沉淀强化元素。材料在高温运行过程中，这些元素逐渐以碳化物、氮化物和金属间化合物形式弥散析出，在强化材料的同时也降低了材料的塑性和韧性，即时效脆化。焊缝金属也会有这种时效脆化的倾向，应通过焊接工艺参数和焊材的加入严格控制焊缝中沉淀强化元素的含量，减小时效脆化的现象。

　　此外，还有焊接接头的σ相脆化、应力腐蚀裂纹和疲劳裂纹等，焊接时必须正确选择焊接工艺参数和焊接材料，最大程度的避免上述问题。

　　3Super304H钢焊接研究现状

　　山东电力工程咨询院的殷智等人[3]分别选用两种焊接填充材料Thermanit617、YT-304H对Super304H钢进行焊接性能分析研究。采用的主要工艺措施包括：控制对口间隙和坡口打磨，防止产生未熔、内凹、焊瘤等缺陷；焊接全过程持续充氩保护，控制热输入，采用间水冷使层间温度控制在150℃以下。试验数据和工程实践均证明了选用上述两种焊材中的任一种对保证Super304H钢焊接接头的综合力学性能均可行，能有效防止热裂纹的产生，选用Thermanit617焊材作为填充金属时焊接施工成本较低。苏州热工研究院有限公司的朱平等人[4]选用NICRO82和ARCOS625两种镍基合金焊丝分别试验研究了Super304H钢的焊接性及其焊接材料匹配的问题。采用TIG焊接方法焊接了该钢管对接焊接头，经过对接头试件的力学性能、耐晶间腐蚀性能及组织特征等方面的分析，表明理论上Super304H钢采用NICRO82和ARCOS625两种镍基合金焊丝焊接是可行的，得到的焊接接头在常温下检测理化性能符合相关技术要求。研究结果还表明，ARCOS625焊丝焊接所得焊接接头在耐蚀性和强度方面优于NICRO82焊丝所得焊接接头。

　　4HR3C钢焊接研究现状

　　国内对于HR3C钢的实际应用和焊接研究鲜有报道，同时又受专利保护，公开的可参考的研究资料几乎没有。从极为有限的资料中我们可以推断HR3C钢与其它奥氏体耐热钢的焊接性基本相同，主要是高温裂纹、晶间腐蚀和时效脆化等问题。北京工业大学吴世凯等人[5]采用窄间隙激光填丝焊接技术，通过工艺参数的优化，采用T-HR3C焊丝完成了10mm厚HR3C钢管的激光焊接工艺试验，研究了激光焊接接头的组织和性能，结果表明：通过优化工艺参数，可以获得合格的焊接接头，焊缝具有明显的沿中心线对称形态，以细小的柱状晶为主，混夹着少量细小的等轴晶，热影响区晶粒没有明显长大，焊缝与母材的显微硬度相当，没有明显的软化区，并对比了激光焊接接头和热丝TIG焊接头在650℃时的高温持久强度。在静态下前者在高温持久强度方面有明显提高。苏州海陆重工股份有限公司的张展宇等人[6]研究了HR3C钢在手工钨极氩弧焊工艺参数下焊接接头的性能。通过对焊接接头热裂纹试验和热塑性试验研究分析，得出HR3C钢的焊接性与TP347H相近。另一方面，通过对焊接方法和工艺参数进行分析，确定了影响HR3C钢手工钨极氩弧焊焊接质量的主要因素，主要包括：焊接材料选用ERNiCrMo-3焊丝时，所得的焊缝接头蠕变断裂强度高于母材；采用尽可能快的焊接速度、多层多道焊。层间温度控制在100℃以下，氩气流量调节为8L/min，可有效防止焊接热裂纹的产生。

　　5结语

　　随着燃煤发电技术的不断发展，高参数、大容量机组将会越来越多的建设投运，新型奥氏体耐热钢将会得到越来越广泛的应用，为了进一步促进其应用，奥氏体耐热钢的焊接研究和应用应注意以下几个方面：

　　（1）目前针对新型奥氏体耐热钢的焊接研究相对较少，且不够深入，主要集中在工艺参数的优化方面，对焊缝微观组织及缺陷形成原因分析较少，焊接方法以钨极氩弧焊为主，试验表明激光焊接也可以获得合格的焊接接头。

　　（2）未见新型奥氏体耐热钢焊接数值模拟方面的研究报道，可以适当开展新型奥氏体耐热钢焊接残余应力、温度场及应力场相关问题的数值模拟研究，能够对此类钢种的焊接发展提供一定的推动作用。

　　（3）国内HR3C钢的实际应用相对较少，应多开展针对HR3C钢的焊接研究，为其进一步的工程应用提供技术支撑。

　　参考文献：

　　[1]赵钦新，朱丽慧.超临界锅炉耐热钢研究[M].机械工业出版社，2009.

　　[2]杨富，章应霖，任永宁等.新型耐热钢焊接[M].中国电力出版社，2009.

　　[3]殷智，殷守斌，乔明利.新型奥氏体耐热钢SUPER304H的焊材选择及焊接工艺[J].中国电力，2011，44（02）.

　　[4]朱平，赵建仓，柴晓岩等.SUPER304H奥氏体耐热钢焊接材料匹配与接头性能研究[J].电力设备，2007，8（04）.

　　[5]吴世凯，杨武雄，肖荣诗等.电站锅炉用HR3C新型奥氏体耐热钢SUPER304H的激光焊接[J].焊接学报，2008，29（06）.

　　[6]张展宇，常宇.新型奥氏体耐热钢HR3C钢的焊接[J].焊接，2010（08）.