(大唐河北发电有限公司马头热电分公司检修部河北省邯郸市056000)
摘要：异种钢焊接由于不同金属的化学成分、组织结构、机械性能及物理性能的差异，因此要比同种钢复杂得多，焊接的可靠性问题也显得更加突出。异种钢焊接技术是火电厂常见的焊接难点,通过分析并在实践中应用发现选择适当的焊接材料和焊接工艺可以解决火电厂典型的异种钢焊接的难题，需要我们深入探索。
关键词：火电厂；异种钢；焊接技术
异种钢焊接是火电厂检修及建设施工中的一个难点问题。其关键在于如何正确选择异种钢的焊接和热处理工艺。异种钢焊接接头加深了金属材料在连接处的不均匀性,因而,降低了接头的抗裂能力,增大了它在应力腐蚀方面的敏感性。对于在高温下长时间使用的工件而言,由于异种钢接头的持久强度下降,大大缩短了它的使用寿命。为此,在火电厂热力设备制造、安装和检修过程中,应当尽量排除异种钢接头的出现,除此之外,应严格控制焊接与热处理的工艺过程和质量,在异种钢接头投入运行后,采取有效的监督措施,从而减少事故发生的几率。
一、异种钢焊接接头的特征
1.化学成分的不均匀性
异种金属熔化焊接时,焊缝两侧金属及熔化金属的合金成分存在明显的熔度差别。在焊接时,因焊缝形状、母材厚度、焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊条药皮或焊剂、保护气体种类、焊接位置及电极对工件的倾角等因系不同,焊接熔池的行为也不一样。母材的熔入量不同,焊缝金属与母材熔化区化学成分浓度的相互稀释作用也将发生不同变化。
2.金属组织的不均匀性
由于接头化学成分的不均匀性,在经历焊接热循环作用后,接头的各个区域也将随之出现不同的金相组织,往往在其局部区域内表现出相当复杂的组织结构。金属组织的不均匀性首先取决于母材和焊接材料的化学成分,同时也与焊接方法、焊道层次、焊接和热处理工艺过程有关,若能在工艺上合理调整,可以使不均匀的程度得到一定改善。
3.性能的不均匀性
接头各区化学成分与金相组织的差异也带来了性能的不同,即沿整个焊接接头各个区域的室温强度、硬度、塑性、韧性都将有很大的差别,有时在3～5个晶粒的范围内,显微硬度出现成倍的差值,强度也会由于成分的不同而产生很大区别。物理性能的差异主要表现在热膨胀系数和导热系数上,这可能导致运行过程中产生大的热应力。
4.应力场分布的不均匀性
焊接残余应力在异类接头中分布不均匀,首先由各种材料不同的塑性状态所决定,而材料导热性的差异将导致焊接热循环温度场的变化,导致残余应力分布不均匀。由于异质材料热膨胀系数的差异,接头在正常使用下因温度循环而出现在界面上的附加热应力也是分布不均匀的,甚至还会出现高峰应力,从而成为接头断裂的主要原因。
二、异种钢焊接的难点
1.当被焊金属的物理性能存在较大的差异时,会导致两者熔点存在差异,导致焊接受到影响,使得焊接接头不易焊合。
2.若被焊金属的线膨胀系数存在较大差异时,导致接头部分容易出现较大的残余应力及形变,导致焊接部分和受热区域容易出现裂缝,甚至导致焊接部位与母体离断。
3.当被焊金属的导热性能和比热容存在较大差异时,容易导致焊缝周围温度场及结晶条件容易受到影响,并且对金属的清润性能造成一定的破坏。此外,焊缝
结晶条件受到破坏的情况下导致金属结晶粒粗化严重。
4.当被焊金属的电磁性存在较大差异时,焊接电弧的稳定性容易受到影响,容易导致焊缝形成恶化。异种金属的氧化性越高,对异种金属的焊合的影响越大。5.异种金属之间存在的化合物越多,导致焊合部位越容易出现裂缝。异种金属焊接时,焊缝和母体之间的强度存在差异,特别是焊接异种有色金属的过程中更为突出。
三、异种钢焊接及热处理工艺
1.焊接材料选择
在异种钢焊接过程中,合理选择焊接材料是重要环节。焊接接头的化学成分主要是来源于填充金属,例如,在不锈钢与碳钢的焊接过程中,需要结合两者的组织性能、化学性质以及应力分布、碳的扩散等因素的影响,特别注重焊丝、焊条等填充材料的使用,可选择不锈钢焊条。
2.预热温度
由于火电厂用热强钢一般都具有焊接冷裂纹和再热裂纹敏感性,且管道对接焊缝的拘束度大,而我国手工电焊条的熔化金属的氢溶量较高,因此,综合考虑钢材性能进行必要的预热是正确的。在实际焊接中,当焊接壁厚小于6mm的奥氏体+珠光体或贝氏体钢接头时,不进行预热。奥氏体+马氏体钢接头预热100～150℃;马氏体+贝氏体或珠光体接头预热250～350℃。
3.焊接方法
由于氩弧焊工艺具有焊缝应力小、热影响区小、焊接能量集中、内部缺陷小、易操作等特点,而且可以有效减小熔金属氢含量、减少裂纹几率,因此,推荐使用全氩弧焊或氩弧焊打底、电弧焊盖面的焊接方法。
4.焊后热处理
在DL752—2001《火力发电厂异种钢焊接技术规程》中规定:壁厚小于6mm的奥氏体+珠光体或贝氏体接头不进行热处理;壁厚大的奥氏体+珠光体或贝氏体接头按照非奥氏体一侧钢材来选择热处理工艺的。马氏体钢异种钢接头在在焊接后应缓冷到100～150℃并保温,以保证马氏体充分转化,然后进行热处理,热处理温度保证不超过合金含量低一侧的相变温度AC1。
5.提高焊接操作水平
提高焊接操作水平,能够有效的提高异种钢焊接质量。例如,在进行异种钢焊接的过程中,主要采用的焊接方法为手工弧焊、小电流焊接、短电弧及多层焊接技术。由于焊接工艺需要人工进行管理与记录的,并且异种钢焊接工艺具有专业性、难度大以及工作量大等特征,因此,在异种钢焊接工艺人员需要选择职业道德素质高、专业能力强以及工作态度认真、负责的员工,并不断加强对管理人员的思想道德培养以及专业技能培训,组织员工进行新型技术的学习,从而达到提高异种钢焊接工艺质量的效果。
6.焊接工艺评定
在工艺确定的情况下,为确保质量,施焊前进行焊接工艺评定并在焊接工艺评定的基础上制定焊接作业指导书,也是非常必要的。
7.重视焊接接头坡口
焊接接头坡口能够提升异种钢焊接效果。例如不锈钢与碳钢焊接过程中,有效焊接接头坡口的主要原则为:焊接过程中,<4mm焊缝厚度不需要坡口,可以直接焊接,采用单面焊透的方式;直径为4一6mm厚度的焊缝可不开坡口,采用双面焊的方式;>6mm以上可采用V、U或X形坡口,以60o为最佳坡口角度。
8.重视焊接后的检验
检验工作是异种钢焊接的最后一道工序,从检验工作的重要性分析,检验工作是对焊接技术的最终考验,其主要借助了各种测量仪器对焊缝的各方面进行全面的检查,从而保障焊接质量,不能残留咬边、焊瘤、气孔、裂纹等。焊接后检验工作的质量对焊接质量具有直接的影响,能够尽早发现焊接残留问题。
结束语
文章主要针对异种钢焊接技术中存在的难点展开分析,并讨论了异种钢焊接存在的不均匀特点:焊缝金属的化学不均匀性、金相组织的不均匀性、性能的不均匀性、应力分布的不均匀性,并提出了异种钢焊接过程中要注意合理选择焊接材料、重视焊接接头坡口、提高焊接操作水平、重视焊接后的检验等对策,旨在提高异种钢焊接技术水平。
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