汽輪機葉片金屬材料的焊接技術淺析

李全忠 丁立強 趙啟

（黑龍江省火電第三工程公司，黑龍江 哈爾濱 150016）

一.引言

隨著現代工業的發展和科學進步，現代工程中的許多零部件需要工作在高溫或低溫、腐蝕介質、電磁場或放射性環境中，其中有色金屬材料的用量也比較大。所選用的材料應該是能滿足工作要求的特殊材料，單獨使用一種材料常常不能滿足實際應用中的各種要求。因此在現代工程結構中，我們不僅需要對大量的同種材料進行焊接，同時也需要對相當數量的異種材料進行焊接，在工程及制造中采用異種材料焊接結構，不僅能滿足不同工作條件對材質的不同要求，而且還能節約貴重金屬，降低結構整體成本，充分發揮不同材料的性能優勢。在某種情況下，異種材料結構的綜合性能甚至超過單一金屬結構。異種材料的焊接日益受到人們的重視，具有廣闊的應用前景，近年來在航空航天、石油化工、電站鍋爐、核動力、機械、電子、造船及其他一些領域獲得越來越廣泛的應用。

二.不銹鋼的分類

不銹鋼是指主加元素鉻含量能使鋼處于鈍化狀態，又具有不銹特性的鋼。為此，不銹鋼w(Cr)應高于12}。此時鋼的表面能迅速形成致密的Cr103氧化膜，使鋼的電極電位和在氧化介質中的耐蝕性發生突變性提高。在非氧化性介質中，鉻的作用并不明顯，除了鉻外，銹鋼中還須加入能使鋼鈍化的Ni,Mo等其他元素。不銹鋼按照組織類型，可以分為五類:

(1)奧氏體不銹鋼

奧氏體不銹鋼在各種類型不銹鋼中應用最為廣泛，品種也多。由于奧氏體不銹鋼的Cr,Ni含量較高，因此在氧化性、中性以及弱還原性介質中均具有良好的耐蝕性。奧氏體不銹鋼的塑韌性優良，冷加工性能俱佳，焊接性由于其他類型不銹鋼，因而廣泛應用于建筑裝飾、食品工業、醫療器械、紡織印染設備以及石油、化工、原子能等工業領域。

(2)鐵素體不銹鋼

鐵素體不銹鋼的應用比較廣泛，其中Cr13和Cr17型鐵素體不銹鋼主要用于腐蝕環境不十分苛刻的場合，例如室內裝飾、廚房設備、家電產品、家用器具等。超低碳高鉻含鋁鐵素體不銹鋼因對氯化物應力腐蝕不敏感，同時具有良好的耐點蝕、縫隙腐蝕性能，因而廣泛用于熱交換設備、耐海水設備、有機酸及制堿設備等。

(3)馬氏體不銹鋼

馬氏體不銹鋼應用較為普遍的是Cr 13型馬氏體不銹鋼。為獲得或改善某些性能，添加Ni,Mo等合金元素，形成一些新的馬氏體不銹鋼，例如OCr13Ni 14Mo,OCr16Ni5Mo等。馬氏體不銹鋼主要用于硬度、強度要求較高，耐腐蝕要求不太高的場合，如量具、刃具、餐具、彈簧、軸承、汽輪機葉片、水輪機轉輪等。

(4)雙相不銹鋼

雙相不銹鋼是金相組織由奧氏體和鐵素體兩相組成的不銹鋼，而且各相都占有較大的比例。雙相不銹鋼具有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的一些特性，韌性良好，強度較高，耐氯化物應力腐蝕。適用制作海水處理設備、冷凝器、熱交換器等，在石油、化工領域應用廣泛。

(5)沉淀硬化不銹鋼

沉淀硬化不銹鋼是在不銹鋼中單獨或復合添加硬化元素，通過適當熱處理獲得高強度、高韌性并具有良好耐蝕性的一類不銹鋼。通常作為耐磨、耐蝕高強度結構件，如軸、齒輪、葉片等轉動部件和螺栓、墊圈、彈簧、閥、泵等零部件以及高強度壓力容器、化工處理設備。

三.不銹鋼的焊接性

(1)熱裂紋傾向

不銹鋼具有較高的熱裂紋敏感性，在焊縫及近縫區都有產生熱裂紋的可能。熱裂紋通常可分為凝固裂紋、液化裂紋和高溫塑裂紋三大類，由于裂紋均在焊接過程的高溫區發生，以又稱高溫裂紋。凝固裂紋主要發生在焊縫區，最常見的弧坑裂紋就是凝固裂紋。液化裂紋多出現在靠近熔合線的近縫區。在多層多道焊縫中，層道間也有可能出現液化裂紋。對于高溫失塑裂紋，通常發生在焊縫金屬凝固結晶完了的高溫區。

(2)焊接接頭的耐蝕性

①晶間腐蝕根據不銹鋼及其焊縫金屬化學成分、所采用的焊接工藝方法，焊接接頭可能在三個部位出現晶間腐蝕，包括焊縫的晶間腐蝕、緊靠熔合線的過熱區"刀蝕"及熱影響區敏化溫度區的晶間腐蝕。

②應力腐蝕開裂不銹鋼焊接接頭的應力腐蝕開裂是焊接接頭比較嚴重的失效形式，通常表現為無塑性變形的脆性破壞，危害嚴重，它也是最為復雜合難以解決的問題之一。影響應力腐蝕開裂的因素有焊接殘余拉應力，焊接接頭的組織變化，焊前的各種熱加工、冷加工引起的殘余應力，酸洗處理不當或在母材上隨意打弧，焊接接頭設計不合理造成應力集中或腐蝕介質的局部濃度提高等等。

(3)焊接接頭的脆化

對于不銹鋼除了耐腐蝕性和抗氧化性之外，在低溫時的使用性能也是及其重要的，焊接金屬的塑韌性就成為關鍵性能。

四.不銹鋼的焊接方法

許多焊接方法都可用于不銹鋼的焊接，但對于不同類型的不銹鋼，由于其組織性能存在較大的差異，焊接性也各不相同，因此，不同的焊接方法對于不同類型的不銹鋼具有不同的適用性。在選擇焊接方法時，要根據不銹鋼母材的焊接性，對焊接接頭力學性能、耐蝕性能的綜合要求來確定。例如埋弧焊時一種高效優質的焊接方法，對于含有少量鐵素體的奧氏體不銹鋼焊縫來講，通常不會產生焊接熱裂紋，但對于純奧氏體不銹鋼焊縫，由于許多焊劑向焊縫金屬中增硅，焊縫金屬的熱裂紋敏感性大，因此一般不采用埋弧焊焊接純奧氏體不銹鋼，除非采用特殊的焊劑。當焊接接頭的耐蝕性要求高時，鎢極氫弧焊等惰性氣體保護焊具有明顯的優勢。對于一些特種焊接方法，如電阻點焊、縫焊、閃光焊及螺柱焊，也可用于不銹鋼的焊接，與普通低碳鋼相比，由于不銹鋼具有較高的電阻和較強的高度，因此需要較低的焊接電流和較大的壓力或頂鍛力。釬焊也廣泛用于不銹鋼的連接，母材類型不同，釬焊溫度也不相同，與普通碳鋼相比，不銹鋼用釬劑有較強的腐蝕性，為了防止殘留的釬劑對釬焊接頭的腐蝕，需對釬焊接頭予以仔細的清理。

小結與展望

雖然不銹鋼作為一種十分成熟的材料，但隨著科技的進步，金屬鎂及其合金是目前可應用的最輕的結構材料，具有鋼不可替代的性能，如高比強度、高比彈性模量、高阻尼減震性和極低的密度，及易回收利用等一系列優點，被稱為"21世紀的綠色材料"，被廣泛應用于航空、航天、汽車、計算機、通訊和家電等行業。北美從80年代中期開始在汽車上使用鎂合金，每年以16.6%的速度增長，其中增長最快的是壓鑄件，占70%-80%。世界范圍內的汽車用鎂合金也以較大比例增長。另外，鎂還有其它優點如:好的吸濕能力、流動性、機械加工性能和電磁干擾屏蔽性能!a-iul0鎂的這些特性在汽車制造業中的應用符合人們對汽車工業發展的要求:減輕車重、提高燃料經濟性、降低排放、提高安全性。由此，北美、歐洲、日本、韓國的汽車用鎂合金量大大增加。焊接作為材料成型，優化結構降低加工成本的重要方法，必然會得到廣泛的采用。在今后汽輪機的應用中，會將鎂及其合金很多的應用其中，對其的焊接技術將在日后作為研究的重點。

[1]陳富根.汽輪機制造中的焊接技術.【期刊】上海汽輪機.1984-04-01.