鍋爐異種金屬焊接的缺陷問題分析

王堂均

（瀘州市特種設備監督檢驗所，四川 瀘州 646000）

目前，國內科技已經有所發展，部分制造公司持續提升設備構件的功能性，繼而適應市場對設備耐高溫及抗磨損等功能的需要。由此促使常規一種金屬材料進行焊接處理的技術難以達到市場所需標準，因而衍生出異種金屬焊接技術。在鍋爐機組中，該種焊接模式有較大的缺陷，雖已通過改建焊接手段，優化焊接處理，但期間的缺陷也需加以關注。

1 異種金屬焊接

現階段，常規金屬材料難以達到使用標準，促使異種金屬出現在人們眼前。焊接處理中能把使用的材料優點呈現出來，并規避單一材料造成的高投入，保障相關公司的經濟利益。由于異種金屬的屬性有區別，比如，化學元素、熱導率等，所以會提高焊接工序的難度。若在焊接處理銜接位置出現鐵素體，便易引發裂縫問題。因此，當確定選擇異種金屬制作鍋爐，一旦發生膨脹異常及碳元素大范圍覆蓋、溫度波動明顯等情境，會加快此種焊接材料的缺陷發生時間。為控制此類情況的出現概率，技術人員可應用鎳合金材料控制碳素地擴散。該種缺陷問題并非完全由焊接水平影響，如奧氏體不銹鋼、鎳合金、電阻焊等，均會出現不同程度的缺陷。

2 鍋爐異種金屬焊接的缺陷問題

2.1 基于焊接技術

（1）奧氏體鋼焊接。如今在鍋爐多種金屬材料焊接期間，需結合現實狀況。此類焊接方式缺陷出現概率相對偏高，綜合大量數據與現場情況而言，引發該種焊接手段出現缺陷問題的原因一般來源于過熱裝置中，鍋爐再熱及過熱設備形成裂縫，導致鍋爐焊接質量下降。兩類設備制作原料一般是T22 鋼，所以，焊接缺陷也是由此形成。在焊接處理期間，要求完整記錄材料使用時間、頻率等信息，繼而判斷焊接缺陷問題受到多項因素的干擾，包括鍋爐開啟模式，在熱態及常態下均易裂縫[1]。奧氏體鋼焊接處理后的鍋爐，裂縫一般在其持續工作超過三萬個小時后會顯現出來，而鍋爐啟動階段發生缺陷通常在此動作已經完成至少五十次。如果從鍋爐全機組的層面來看，重復啟動二百次左右后，會展現出顯性的缺陷故障，而時間大致可達到四萬七千個小時左右后出現質量問題。

（2）鎳基溶焊問題。異種金屬材料焊接期間，鎳基通常是造成裂縫的主要因素。鎳基和鐵元素接觸后，會直接在其周邊形成裂縫，一般在六萬個小時后可以顯現裂紋，并于十萬小時左右擴大至裂縫的狀態。此類焊接方式的缺陷問題同樣和過熱及再熱裝置有聯系，并在鍋爐的吸熱管道也發生相似的情況。

（3）壓力焊的缺陷。鍋爐進行壓力焊處理后，晶界面發生裂縫是主要缺陷問題。如果鍋爐工作時長達到五萬個小時及重啟次數多于二百八十次左右，便會產生縫隙。由此能得出，此種焊接裂縫的發生量較少，同時焊接處理標準更高。

（4）電阻焊的問題。異種金屬本身便有不同，由于此類焊接需要經過較為復雜的處理結構，且現場運行操作及應用材料屬性都有較大的變動性。鐵元素在焊接期間易發生應變問題，形成缺陷，究其根本在于金屬材料并非一類。鐵素體鋼材與奧氏體管材，二者的熱膨脹指數差異在27%左右。而此也難以表明部分裂縫發生時間及可用周期。而引發裂縫的原因主要有兩類。一方面，碳元素，如果此類物質因焊接處理發生移動，會利用鐵元素將其的作用擴散至異種金屬焊接部分。產生的條件為過熱裝置的溫度上升至一定值，此項變化在使用不銹鋼材料實施焊接處理中更加明顯。若僅應用鎳基焊絲處理，鍋爐一般需經過多年使用后才能展現出來。另一方面，外界負荷，由此引發的缺陷問題實際覆蓋范圍在管材周邊，由此也能證明此類裂縫是因為彎曲作用力產生。

（5）鍋爐鐵素體。采取特殊體焊接的情況較多，但其缺陷局限性也較多。此類缺陷問題較少，在吸熱管道中，通常在工作三萬個小時左右后，且重啟次數達到高于七次時，會發生焊縫。如果是非吸熱的管道，則發生在工作八萬個小時，長期次數至少達到六十五次左右，產生裂縫[2]。

2.2 基于具體指標

異種金屬焊接是至少有兩種不同金屬材料，通過多種處理工藝完成加工。而此種操作勢必會形成銜接過渡層。而碳分子的重新配置，會產生脫碳層及增碳層，并引發成分結構變動，導致焊接接頭區域的功能性下降。因為不同金屬在物理及化學性等特征有區別，和同種金屬焊接相較，其在焊接機理以及操作工藝上，均偏向復雜。根據具體指標得出的缺陷問題有：

（1）熔點差異。如果此項指標的差額偏大，焊接難度也會隨之提升。該種情況是由于熔點偏低的金屬處于熔化狀態時，另一種金屬依舊是固體存在，繼續加熱，會導致熔點低的金屬出現過熱的問題，造成材料流失，甚至發生蒸發等問題，材料銜接位置無法實現高質量的焊合。比如鐵與鉛材料，二者熔點指標差別極大，且在固態狀態下無法溶解，而液態也不能完成溶解。液態金屬為層狀布局，在溫度下降后，二者會單獨結晶。

（2）膨脹系數。與熔點指標相同，焊接金屬之間的差距和焊接難度呈同方向變動。該指標偏大的金屬，熱膨脹率會隨之提升，冷熱交替時的體積變化較大，并會造成極大的應力，且難以徹底消除，繼而引發嚴重的形變。因為焊接兩側金屬可負荷的應力程度存在差異，引發接縫位置和熱影響范圍會形成裂縫，嚴重情況下，會造成金屬和母材分離。

（3）熱導熱容。金屬熱導性與比熱容能影響焊接材料結晶成效，導致晶體的直徑增加，由此干擾不易熔金屬的潤濕效果。所以，需要使用強力熱源完成焊接處理，其焊接應對準熱導率更佳的母材。

（4）電磁差異。如果焊接的金屬材料，電磁差異過大，會導致焊接期間，產生的電弧缺乏穩定性，由此降低接縫的處理質量。此外，如果焊接處理后的金屬會產生較多的化合物，同樣難以有效焊接。因為化合物本身具備一定的脆性，缺乏彈性，提高裂縫的發生概率，乃至斷裂。

（5）新生組織。金屬焊接期間，在焊接位置會產生組織波動以及新生組織，此類物質會造成銜接區域的功能性下降，導致焊接難度加大。而金屬熔合區域的力學性在熱影響區域內不佳，塑韌性相對顯著。因為此項指標的降低和應力的影響，造成金屬銜接位置出現裂縫，特別是熱影響部分[3]。

（6）氧化問題。比如使用銅與鋁兩種金屬材料，在溫度升高期間，便會產生二者的氧化物。而溫度降低后出現結晶現象時，氧化物的存在會導致焊接部分的結合效果下降，同時，由此形成的氧化共晶體會引發夾雜及裂縫問題。加之化合物的脆性特征較為明顯，導致接縫位置的強度、彈性等性能下降。所以，運用溶焊處理此類異種金屬難度較大。

（7）強度標準。異種金屬處理期間，焊縫通常無法與母材一側形成相同的強度等級。造成此種缺陷問題的原因在于，熔點偏低的材料易被燒毀及蒸發，導致其內部結構的化學成分出現變動，穩定性及力學性能下降。特別是有色金屬焊接中更為明顯。

3 鍋爐異種金屬焊接案例分析

3.1 案例一

有關奧氏體鋼管焊接問題在近二十年有較大的研究成效。火力發電設備容量及參數的變化，促使鍋爐的局部焊接處理選擇此類鉻鎳不銹進行處理。以經濟層面來看，低溫段依舊采取鐵素體的耐熱鋼。發電機組局部之間的啟動溫度有差異，所以應當選擇多種化學及組織結構的鋼材，而此引發異種金屬焊接的問題。近年來，異種金屬焊接處理的接頭失效事件較多，即使應用鎳基材料也難以呈現出預期應用周期。國內電站鍋爐應用的A/F 接頭周期偏短，少部分鍋爐會在較短工作周期內多次發生爆漏問題。例如首陽山電廠的鍋爐過熱裝置及異種接頭，在工作時長不足170h 后，一個月的時間內出現三次爆管事故。而引發此種早期接頭失效的原因有：異種材料的膨脹指數差異過大；因為碳元素移動，導致低合金鋼的區域出現脫碳帶情況；應用焊接材料的蠕變不相適應；不良因素在熱影響范圍內晶界出現偏析問題；鐵素體在熱影響范圍內，蠕變及回火的脆性明顯；在該區域內出現碳化物，此類物質會引發裂縫缺陷；在臨近焊縫一面，形成氧化缺口，導致構件的截面積縮小，內部應力過于集中；由氧化形成的的缺口，易出現擴展；接頭區域有殘余應力；機組啟停期間，形成溫度及應力循環等。

焊接的接頭位置失效問題，目前還未形成徹底統一的機理，有關研究學者還存有觀點不一致的情況。異種金屬焊接操作中，晶界裂縫能反映出蠕變孔洞出現變形。受低應力的影響，此類孔洞會在原本晶界中形核，并會持續擴大，最終造成損傷。碳遷移導致構件各區域的碳元素濃度有差異，嚴重影響對應區域化學及物理特性，此類問題是鍋爐異種焊接處理中較為重要的情況，而此會影響焊接處理后設備的應用周期。采用鎳基處理，雖能限制碳遷移，但無法實現徹底解決[4]。

3.2 案例二

電廠內兩臺規格為600MW 的鍋爐，過熱裝置的規格是的鋼質管材。第二臺鍋爐的過熱裝置其中一個異種接頭出現爆管問題，同時造成臨近的五根管道出現泄漏問題。

其一，需針對泄漏位置進行檢查。總體來看，管材已經出現形變及膨脹的情況，其管材壁未出現過薄的現象，在其內外部均出現豎向裂縫，斷裂位置平整，呈現脆性的特點。而后檢測泄漏部分的化學成分，由此判斷該管材是否存在制作不達標的問題。硬度方面，泄漏管材硬度達到，而相連母材的硬度也達到。使用鹽酸水以及氰化鐵作為試驗試劑。兩種金屬材料分別是回火馬氏體以及奧氏體，相關組織結構處于正常狀態，焊接位置的金屬也未發生裂縫，無過熱痕跡。綜合系列性的組織分析，可以判斷，首先，此次接頭斷裂是由于熱口疲勞，同時呈現長期過熱的問題。其次，根據化學成分分析，管材滿足相關制作標準，材料本身無問題。最后，管材的金相組織都為正常狀態，但已經出現老化的問題。

其二，破壞機理。因為異種金屬焊接應用奧氏體焊接，且母材與應用金屬材料在化學成分、膨脹指數等均有不同，所以二者的熔合銜接部分可能會出現突變問題，鍋爐期間，該部分需要被熱循環干擾，而形成熱應力。同時，若過熱裝置工作時間已經積累到四萬個小時，則會引發接頭的早期實效。此外，因為相關管材本身自重、運行期間晃動、受熱變形等均會造成一定量的額外應力。所以，同時受到熱應力及結構的影響，構件焊接界面易產生疲勞感，由此形成的裂縫逐漸擴展至內部管壁，造成整體斷裂的事故。

其三，此類問題的應對策略。因為異種金屬焊接位置在爐膛內部，鍋爐工作期間，溫度可在一千攝氏度左右，同時還伴隨著較多的波動，對焊接界面造成極大的交變應力。加之高溫會縮短結構材料的使用周期，加快老化，并使構件的強度遭到破壞。若焊接界面鍋爐頂部，此時的周邊環境僅為上一種情況的一半左右，其無大幅度地波動，有效控制異種金屬的焊接界面受外界應力程度，可從側面延長其應用周期。

4 結語

鍋爐在工業生產中得以有效運用，并為提升該設備應用的安全性及穩定性，需要從制作生產入手。通過上文對異種金屬的焊接分析，可以得出：其一，異種金屬處理需綜合考慮多項指標；其二，不同金屬組合需選用差異化的焊接技術；其三，盡量選擇差異不大的兩種金屬原料。