鍋爐過熱器TP304H奧氏體不銹鋼WS焊接工藝

李士強

摘 要：通過對TP304H小徑薄壁管現場焊接遇到的難題，進行分析和解決，得出比較適合現場焊接中高合金鋼小徑薄壁管的創新工藝。從實際效果看，這個工藝是可行的，具有應用推廣價值。

關鍵詞：奧氏體鋼；充氬；焊接工藝

1 TP304H鋼的焊接性分析

奧氏體鋼具有耐腐蝕性能的條件主要是Cr的含量含Cr量必須大于12%，在室溫時碳在奧氏體中的溶解度很小。當溫度升高時在奧氏體晶粒邊界會產生碳擴散現象，并與Cr結合，生成碳化鉻。當晶粒界附近的Cr含量小于12%時，會導致貧鉻，從而在腐蝕介質作用下貧鉻區將失去耐腐蝕性能。導致不銹鋼晶間腐蝕，這種腐蝕現象受到應力作用時就會沿晶斷裂，是奧氏體鋼最危險的一種破壞形式。晶間腐蝕受應力作用時產生斷裂的區域分別作用在焊接接頭的熱影響區、焊縫或熔合線上。奧氏體不銹鋼不是在任何時候都會產生晶間腐蝕。它與鋼的加熱溫度和產生晶間腐蝕的溫度敏感區，焊接過程中高溫停留時間有關。最敏感的溫度區間為450-850℃。當加熱溫度小于450℃時，不會產生碳擴散現象。也就是說不會形成碳化鉻化合物。當溫度升高至850℃以上時，此時晶粒內鉻擴散現象增強。大量的鉻于晶粒的碳化合生成碳化鉻，但兩者都不會形成貧鉻。產生晶間腐蝕最敏感的溫度為650℃，因此在焊接過程中嚴格控制危險溫度區，降低650℃的高溫度停留時間。

焊接過程中，焊縫兩側熱影響區處是最危險的溫度區，易產生晶間腐蝕。因此應采用小電流、弱規范、焊接速度稍快降低高溫停留時間，提高焊接接頭抗晶間腐蝕能力的焊接工藝。為了避免或減少產生晶間腐蝕的機率，在工況條件允許的情況下采用快速冷卻方法，可在焊接完畢的焊接接頭或在焊接過程中焊30-40mm后熄弧用冷水冷卻。奧氏體鋼在急劇的冷卻過程中不會產生淬硬的馬氏體組織，所以快速冷卻不會使焊接接頭產生淬硬組織。

2 產生熱裂紋的原因及防止方法

在焊接過程中由于奧氏體鋼的導熱系數小，電阻率高，熱膨脹系數大。由于焊接是一個局部加熱和冷卻過程，導致焊縫金屬在結晶時產生較大的拉應力。另外奧氏體鋼中的鎳、硫、磷雜質在熔池中易形成低熔點共晶物，所以鎳、硫、磷含量越高產生熱裂紋的傾向越大。奧氏體鋼的液相線與固相線的距離較大，主要是因為奧氏體鋼的鐵水流動性差，粘稠度大，因此結晶時間較長。另外奧氏體鋼在焊接過程中雜質偏析性較強。以上均是產生焊接熱裂紋，層間裂紋和弧坑裂紋的原因。

避免產生熱裂紋的方法：正確選擇焊接規范參數，采用優質、含雜質量少的焊接材料。從而使焊縫金屬獲得雙相組織即奧氏體加鐵素體。奧氏體鋼焊縫中的鐵素體含量應控制在3%左右，因為鐵素體含量過多會使焊縫金屬脆化，一般通常控制在5%以內，并嚴格控制焊縫中硫、磷等雜質元素的含量。

3 焊接工藝

3.1 充氬方式、焊接順序

在地面組合聯箱過渡段散管時期，由于采用的充氬方式為管口內一側200mm處用可溶紙封閉，另一開口側用氬氣管直接進行充氬保護，這樣的充氬效果是最理想的。而在后期安裝焊口與管排對口時，由于不能采用象地面組合時的充氬方式而采用在焊口兩側做氣室然后用一扁頭的細銅管從間隙處直接進行充氬保護，使得充氬難度加大，效果不理想。在初期遇到的問題是在充氬時氬氣的氣流過于集中，而且氬氣吹到焊口后馬上又從焊口對面間隙處吹出來，保護氣體大量的流失使得焊接的時候達不到理想的充氬效果。經過反復實驗總結，我們制作成一件充氬的專用工具，用Ф8的不銹鋼管彎曲一半徑略小于管子半徑的半圓形，并在半圓環內兩側開槽，在圓環的背面開孔焊一三通連接在氬氣皮管上，從而使得氬氣進入焊口的氣流非常均勻，并起到封閉一側間隙的作用，在一側打完底后再換作直管進行另一側的充氬。使用這個裝置后，發現管子內壁充氬效果得到了大大改善，充氬遇到的問題基本得到解決。但是在我們焊接時又發現焊口內壁上側很容易出現未熔合的焊接缺陷，而且焊接缺陷通常在最后1/4封口處，總結其中的原因是在此處焊接時由于管與管間距的過于狹小，充氬用管與焊工操作相互影響，既影響了焊工的視線又影響此處充氬的保護效果。為此參與安裝的焊接人員集中進行了針對這一現象的討論，主要是圍繞焊接操作順序和方法展開討論。最后得出在焊接順序上：在一側先打底的焊縫不封口，正中心留有15mm左右的焊道，然后到另一側進行打底焊接，從留孔處利用氬氣膠管直接充氬，最后焊接留口處位置較好的焊縫，由于內部氣室的嚴密焊槍噴出的氬氣足以充滿內部使得最后封口的焊縫質量也容易保證。這樣避免了在焊接最后的位置困難焊道時產生的一些缺陷，而且對氬氣的背面保護效果也得到了提高。

3.2 氧化膜層間清理提高焊口質量

在焊接期間我們還發現這一類的材質在打過底的焊縫蓋面焊接時熔池熔化的非常不好，外觀容易存在“咬邊”等缺陷，外觀質量難以得到保證。在總結時我們發現，這些中高合金的鋼種在焊接打底后很多合金元素在高溫條件下與空氣接觸容易產生一層很薄且熔點很高的氧化膜，即使采用了較小的焊接線能量這種情況依然存在，氧化膜在蓋面時影響熔滴的熔合還降低焊接速度，增加了焊接的熱輸入，并使得焊接操作難度加大。我們的做法是在鎢極氬弧焊接打底后，用電動鋼刷做表面拋光處理，去除氧化膜，這樣在焊接第二層焊道焊接時焊接工藝得到大大改善，從而使焊口的外觀成形加強提高了焊縫的整體質量。

4 焊接工藝要點

我們總結出“焊接高合金鋼小徑薄壁管”的一點經驗，僅供參考：

4.1 焊接TP304H小徑薄壁管時，充氬是關鍵因素，有時由于充氬保護不好，可能產生焊道根部“過燒”、“未熔合”等缺陷，一定要想盡一切辦法使充氬效果得到保證。比如調整焊接順序，和根據條件制作提高保護效果的充氬工具。見圖1。

4.2 在焊接時一定要采用“小規范”焊接，電流的大小，焊接的速度一定要相互配合好，這樣才能得到合格的焊縫組織。使得焊縫的強度和內在質量得到保證。

4.3 在焊接時不要一直不停把焊口焊完，適當的控制層間的溫度，由于管子的壁薄這樣可有效避免在蓋面時產生焊縫背面“氧化”甚至“過燒”。

4.4 要嚴格按照焊接工藝評定給定的焊接工藝進行焊接，杜絕野蠻施焊等對質量不負責任的焊接做法。

5 注意事項

5.1 由于奧氏體鋼的導熱性差，電阻率高，焊接時產生的電阻熱大，線膨脹系數大，所以焊接電流應小于低碳鋼15%左右。

5.2 采用小電流，弱規范，焊接速度稍快，打底層不得將坡口外棱角熔成缺口，否則次層蓋面時會產生咬邊缺陷及焊縫成形不美觀。

5.3 由于奧氏體鋼焊接時，鐵水流動性差，粘稠度大，因此應調整焊槍角度比低碳鋼和普通合金鋼焊接時焊槍角度稍大，與施焊方向角度在50-60度左右，并將噴嘴與熔池距離保持小于8mm。鎢極端部與熔池小于2mm為最佳距離。打底焊道焊接完畢后應清除表面氧化物以便次層焊接時鐵水流動性好，焊縫成形美觀，減少產生未熔合機率。

5.4 焊接電流參數見表2

5.5 點焊時點焊長度應小于10mm，點焊前應先充氬1分鐘左右，管內充氬流量為6-8L/min。焊槍氬氣流量為12-15L/min。室外焊接時可靈活調整氬氣流量。

5.6 焊接時，氬弧焊打底應一次連續性焊完，層間溫度應控制在60-80oC，并在收弧時填滿弧坑，避免產生弧坑裂紋。進行次層蓋面焊接完畢后，可用冷水降溫。