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低合金鋼SA-213T22與鎳基合金Incoloy800H材料用于核電換熱設(shè)備的設(shè)計和制造，兩種材料之間的異種鋼對接焊縫的性能和質(zhì)量是影響換熱設(shè)備性能和使用壽命的關(guān)鍵。通過試驗對比兩種材料異種鋼對接接頭焊態(tài)和熱處理態(tài)的金相組織變化和力學(xué)性能變化，了解焊后熱處理對異種鋼對接焊縫的性能影響，制訂合理的制造工藝，并成功應(yīng)用于核電換熱設(shè)備異種鋼換熱管的焊接。

鐵素體SA-213T22（2．25Cr-1Mo）換熱管為低合金耐熱鋼，多用于鍋爐、過熱器的制造，具有耐高溫、持久等特點；鎳基合金SB-163UNSN08810（Incoloy800H）換熱管為Ni-Cr-Fe系鎳基耐蝕合金，多用于制造蒸汽發(fā)生器傳熱管，具有高強(qiáng)度、耐高溫、焊接性能優(yōu)異、耐腐蝕等特點。兩種材料的線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率和磁導(dǎo)率不同，化學(xué)成分、金相組織及性能存在較大差異。兩種材料的換熱管對接焊縫為鐵素體鋼與奧氏體鋼的異種鋼焊縫，其存在以下幾個固有問題：高溫下或高溫長期運(yùn)行后，焊接接頭區(qū)的力學(xué)性能（如拉伸、沖擊、彎曲等）性能劣于母材；受到兩側(cè)母材稀釋，接頭熱強(qiáng)性、抗腐蝕和抗氧化性能等降低，接頭殘余應(yīng)力較大；焊后熱處理或高溫運(yùn)行過程中，在焊縫邊界兩側(cè)出現(xiàn)富碳區(qū)和貧碳區(qū)，焊縫邊界及熱影響區(qū)附近易產(chǎn)生裂紋源等。SA-213T22與SB-163UNSN08810異種鋼對接接頭中，焊縫金屬和SA-213T22側(cè)熱影響區(qū)將是最為薄弱的區(qū)域。

目前，鐵素體鋼與奧氏體鋼異種鋼對接焊縫常采用堆焊鎳基或不銹鋼隔離層，并采用鎳基或不銹鋼材料進(jìn)行填充。

美、德等國家早期在第四代核電高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器設(shè)計和研究過程中，對2．25Cr-1Mo材料與Incoloy800H材料異種鋼對接焊縫進(jìn)行試驗研究時，采用鎳-鉻-鐵鎳基合金作為過渡金屬進(jìn)行對接接頭填充。

1工藝材料及方法

1．1試驗材料

試驗選用準(zhǔn)19mm×3mm的鎳基合金SB-163UNSN08810（Incoloy800H）和低合金耐熱鋼SA-213T22換熱直管，其中換熱管材質(zhì)化學(xué)分析結(jié)果和力學(xué)性能結(jié)果分別見表1~表3。

1．2焊接試件制備

選用長度為100～150mm的SA-213T22鋼和Incoloy800H換熱管直管，管端加工坡口。為了降低異種鋼對接焊縫T22鋼側(cè)熱影響區(qū)的成分稀釋，避免明顯的碳遷移現(xiàn)象，保證焊縫在高溫運(yùn)行環(huán)境下的性能，異種鋼換熱管焊縫采用填充ERNiCr-3過渡金屬的焊接接頭形式。焊接時，采用焊縫正面氦氣保護(hù)，焊縫背面氬氣保護(hù)的自動鎢極氬弧焊工藝。

依據(jù)ASMEBPVC-Ⅲ第一冊NB分卷要求，對于SA-213T22換熱管（P-No．5A類）材料焊接后需要進(jìn)行675～760℃，不少于30min的焊后熱處理，與此同時，對于名義厚度t≤13mm，名義直徑≤100mm，檢測的w（Cr）≤3．00％，w（C）≤0．15％的管對接焊縫可以通過焊前預(yù)熱（≥150℃）免除強(qiáng)制性焊后熱處理。

焊接試驗分為2組：一組對接試件采用焊前預(yù)熱，焊后不進(jìn)行焊后熱處理的焊接工藝（后稱焊態(tài)試件）。另外一組對接試件采用焊前不預(yù)熱，焊后局部熱處理的焊接工藝（后稱熱處理態(tài)試件）。

1．2．1焊態(tài)試件

選取第1組對接試件，焊前完成試件清理和組對裝配后，通過火焰加熱的方式，將試件預(yù)熱到150℃以上后，采用自動鎢極氬弧焊焊接工藝焊接試件。

1．2．2熱處理態(tài)試件

選取第1組對接試件，焊前完成試件清理和組對裝配后，未經(jīng)焊前預(yù)熱，采用自動鎢極氬弧焊焊接工藝焊接試件。

在完成對接接頭焊接后，對焊接接頭進(jìn)行（690±10）℃×（30～45）min的局部熱處理，其中400℃以上的升降溫速率≤200℃/h。

2接頭性能分析及結(jié)果

SA-213T22鋼與Incoloy800H換熱管對接接頭為鐵素體鋼和鎳基合金的異種鋼對接焊縫，焊接接頭的構(gòu)成如圖1所示。

分別對焊態(tài)和熱處理態(tài)兩種SA-213T22與Incoloy800H異種鋼對接接頭的常規(guī)性能進(jìn)行對比分析，包括室溫拉伸試驗、高溫（550℃）拉伸、彎曲試驗、硬度和金相組織。

2．1室溫拉伸試驗

選取焊態(tài)與熱處理態(tài)換熱管異種鋼對接接頭分別進(jìn)行室溫拉伸試驗。試樣的制備和試驗依據(jù)GB/T2651—2008進(jìn)行。

試驗結(jié)果表明，2種狀態(tài)的T22與Incoloy800H異種材料對接焊縫的室溫拉伸斷裂值為655～740MPa，均高于T22鋼側(cè)母材的最低抗拉強(qiáng)度（≥415MPa），試樣的斷裂位置均在T22鋼側(cè)母材區(qū)域，為韌性斷裂。相比較而言，經(jīng)歷了焊后熱處理的焊接接頭室溫拉伸斷裂強(qiáng)度略有下降。

2．2高溫拉伸試驗

選取焊態(tài)與熱處理態(tài)的換熱管異種鋼對接接頭分別進(jìn)行高溫（550℃）拉伸試驗。高溫拉伸試樣的制備和試驗依據(jù)GB/T4338—2006進(jìn)行。試驗結(jié)果表明，焊接接頭的高溫拉伸試樣斷裂在T22鋼側(cè)母材，斷裂位置距離焊縫最寬處邊緣約15mm，為韌性斷裂，拉伸斷裂值為320～358MPa，均大于T22鋼側(cè)母材的最低抗拉強(qiáng)度（≥358MPa）。兩種狀態(tài)焊接接頭高溫拉伸斷裂強(qiáng)度值無明顯變化。

2．3接頭面彎、背彎試驗

依據(jù)GB/T2653—2008，對焊態(tài)與熱處理態(tài)的異種鋼換熱管對接接頭制備面彎和背彎試樣。利用萬能試驗機(jī)進(jìn)行對接接頭的面彎和背彎試驗；彎頭直徑D＝4a，彎曲角度為180°。異種鋼對接由于焊縫兩側(cè)的2種材料的熱膨脹系數(shù)存在差異，焊接接頭中存在殘余應(yīng)力，2種母材存在不同的延展性，致使在進(jìn)行接頭面彎和背彎試驗時，容易造成部分彎曲試樣無效。

SA-213T22材料在焊接時，易在熱影響區(qū)中產(chǎn)生淬硬組織，致使在進(jìn)行接頭背彎試驗時，熔合線附近出現(xiàn)局部開裂現(xiàn)象的幾率較高。

對比焊態(tài)和焊后熱處理態(tài)的異種鋼對接接頭試驗，焊后熱處理態(tài)接頭的彎曲試驗結(jié)果明顯優(yōu)于焊態(tài)接頭的試驗結(jié)果，如圖2所示。其中，焊態(tài)試件在SA-213T22鋼側(cè)熔合線附近產(chǎn)生局部開裂的幾率明顯高于熱處理態(tài)試件。

2．4焊接接頭的硬度試驗

側(cè)彎試驗時，發(fā)現(xiàn)異種鋼對接接頭SA-213T22側(cè)熱影響區(qū)附近常常出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，然而熱處理態(tài)的異種鋼對接接頭有明顯改善。

分別選取焊態(tài)以及焊后熱處理狀態(tài)對接接頭，按圖3所示采用機(jī)械法切取硬度測試試樣，試樣包括焊縫、兩側(cè)熱影響區(qū)及兩側(cè)母材。

硬度測試試樣的檢驗面選取換熱管厚度截面，檢驗面經(jīng)拋磨腐蝕后，在接頭截面垂直于焊縫方向沿截面中心線進(jìn)行維氏硬度打點測試，以焊縫中心為原點，向接頭兩側(cè)每隔0．5mm進(jìn)行載荷為100N的維氏硬度測定。

對比分析焊態(tài)與熱處理態(tài)兩種狀態(tài)異種鋼對接接頭的HV10硬度變化曲線如圖4所示。接頭焊縫金屬的硬度值約為HV10140，焊后熱處理對焊縫金屬硬度影響不大。

焊態(tài)接頭SA-213T22鋼側(cè)熱影響區(qū)隨著與熔合線距離的增大，硬度迅速升高，在距焊縫中心約5mm處達(dá)到峰值HV10320，而后迅速下降，在距焊縫中心約8mm處硬度值恢復(fù)至母材的硬度值HV10178；熱處理態(tài)的焊接接頭，SA-213T22鋼側(cè)熱影響區(qū)硬度峰值降低到了約HV10250。

2．5焊接接頭的金相試驗

對比預(yù)熱不焊后熱處理（焊態(tài)）和不預(yù)熱焊后熱處理（焊后熱處理態(tài)）2種工藝狀態(tài)下的異種鋼對接接頭各個區(qū)域的微觀金相組織，焊態(tài)和熱處理態(tài)焊接接頭兩側(cè)的母材及焊縫金屬的金相組織均未發(fā)生變化，其中SA-213T22鋼側(cè)母材為鐵素體組織；焊縫、Incoloy800H合金側(cè)母材及熱影響區(qū)組織為奧氏體組織。

只有SA-213T22鋼側(cè)焊縫熱影響區(qū)的組織發(fā)生了明顯變化，如圖5所示，由焊態(tài)下的貝氏體＋馬氏體＋少量鐵素體組織變化成了熱處理狀態(tài)下的貝氏體＋回火索氏體＋少量鐵素體組織。焊后熱處理對T22鋼側(cè)熱影響區(qū)的微觀組織結(jié)構(gòu)有所改善，有效地改善了接頭性能。

3結(jié)論

（1）筆者通過采用自動鎢極氬弧焊實現(xiàn)了SA-213T22鋼與Incoloy800H合金異種金屬換熱管對接焊。采用預(yù)熱不焊后熱處理和不預(yù)熱進(jìn)行焊后熱處理，這2種工藝均可以得到滿足設(shè)計要求的異種金屬對接焊焊縫。

（2）通過室溫拉伸試驗和高溫拉伸試驗結(jié)果對比，進(jìn)行焊后熱處理的異種金屬對接接頭抗拉強(qiáng)度略有下降，相比較焊態(tài)對接接頭變化不大。

（3）對經(jīng)焊后熱處理的異種鋼對接接頭進(jìn)行面彎、背彎試驗，其結(jié)果明顯優(yōu)于焊態(tài)焊接接頭的試驗結(jié)果。異種鋼對接接頭易在SA-213T22鋼側(cè)熱影響區(qū)附近產(chǎn)生淬硬組織造成彎曲試樣失效和開裂。

（4）SA-213T22與Incoloy800H異種金屬對接接頭中，SA-213T22鋼側(cè)熱影響區(qū)的硬度值明顯高于接頭其他區(qū)域，最大硬度峰值達(dá)到約HV10320。焊后熱處理能夠降低SA-213T22鋼側(cè)熱影響區(qū)的硬度，使最大硬度峰值達(dá)到約HV10250。

（5）合理的焊后熱處理制度能夠適當(dāng)?shù)叵�除異種金屬對接接頭及熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力，降低應(yīng)力腐蝕的敏感性，軟化熱影響區(qū)，提高焊縫金屬的塑性等作用。