N08800與F11?CL.3的異種鋼 焊接工藝研究

崔躍雙 董雷

摘要：從某大型開工爐項目建造中UNS N08800與A182 F11 CL.3異種鋼焊接出現的問題入手，針對鐵素體合金鋼及鐵鎳合金材料焊接特性截然相反且焊后熱處理狀態要求不同的焊接特點和兩種材料在設備中的結構特點，對兩種材料鎢極氣體保護焊的工藝方法進行了探討，制訂了焊接及焊后熱處理工藝，并進行焊接性能試驗，根據試驗結果制定了切合實際的工藝方案，明確了焊接過程中的質量控制要點，解決了施工難題。

關鍵詞：異種鋼;堆焊隔離層;焊接工藝;焊后熱處理

中圖分類號：TG457.1? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）01-0078-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.01.12

0? ? 前言

UNS N08800是以Cr-Ni為基的鐵鎳合金，其Ni、Cr含量高，具有優異的高溫性能及耐腐蝕性能，越來越多地應用在化工行業中。

某開工加熱爐項目設備中（見圖1），承壓部件螺旋盤管的材料為奧氏體不銹鋼TP321H（φ114.3×11.13 mm），上部入口集箱組件（見圖2）中集箱筒體為A335 P11（φ323.9×33.32 mm），封頭材料為A182 F11 CL.3（EHB 323.9×33.32 mm），加強管接頭材料為A182 F11 CL.3（φ132×20～φ116×

12 mm）。承壓部件內介質為H2+N2，設計溫度500 ℃，設計壓力為13.2 MPa。設備按ASME第Ⅰ卷《動力鍋爐建造規則》進行建造。

由于直接承受火焰輻射，加熱爐螺旋盤管材質選用加入穩定化元素Ti的奧氏體不銹鋼，焊接性能良好;而出口集箱組件中的集箱筒體、封頭及加強管接頭屬于P-No.4的鐵素體合金鋼，碳當量Ceq較大，焊接性差，焊接時容易出現熱影響區硬化、冷裂紋等缺陷，如果焊材選擇不當還會出現熱裂紋、再熱裂紋、回火脆性等缺陷。因此，對焊接工藝及焊工施焊技能要求極高。這類鋼焊接前需要預熱，焊接過程中需保持較高的層間溫度，施工難度很大。盡管如此，由于鐵素體合金鋼及奧氏體不銹鋼焊接已有比較成熟的焊接工藝和施焊經驗，只要嚴格按工藝規范進行施工，完全能夠滿足設計圖樣和施工技術條件。

然而，在該設備的結構設計時，考慮到設備是在高溫臨氫狀態下運行，業主要求在加強管接頭與螺旋盤管連接處采用鐵鎳合金UNS N08800（φ114.3×11.13 mm）材料作為過渡段（見圖2）來彌補鐵素體和奧氏體之間焊縫高溫強度較低的不足，這為設備投產后的安全運行奠定了基礎，但同時也給設備制造提出了難題。

UNS N08800與TP321H的異種鋼焊接性能良好，且具有類似的工程經驗，文中將著重解決鐵鎳合金UNS N08800與鐵素體合金鋼A182 F11 CL.3的異種鋼焊接問題。

1 難點分析

A182 F11 CL.3（P-No.4，1.25Cr-0.5Mo-Si）是以Cr-Mo為基的高溫用鐵素體合金鋼[1]，化學成分及機械性能如表1所示，焊接時冷裂紋傾向較大（包括熱影響區和焊縫金屬），由于擴散氫與焊接殘余應力的共同作用，裂紋往往具有延遲性。因此，施焊前應對母材進行預熱，施焊過程中需保持較高的層間溫度，焊后則立即進行最低保溫溫度為650 ℃的熱處理[2]。

UNS N08800（P-No.45，33Ni-42Fe-21Cr）是以Cr-Ni為基的鐵鎳合金[3]，化學成分及機械性能如表2所示，焊接過程中焊縫區極易產生熱裂紋。為此，除了要選擇適合的焊接填充材料外，還必須在施焊過程中減少熱量輸入，采用小的線能量，加快焊后冷卻速度，控制較低的層間溫度，這與A182 F11 CL.3合金的焊接工藝的要求相反。按要求[4]，當受壓焊縫的設計溫度高于1 000℉（538 ℃）時，應進行焊后熱處理;由于該設備的設計溫度為500 ℃，故UNS N08800部分材料不需要進行焊后熱處理。

兩種材料金屬組織的差異導致二者線膨脹系數不同，同時接頭位置還存在塑性和導熱性的差異，焊接時會造成熱循環溫度場的反常，使得焊接接頭存在較大殘余應力，影響接頭部位的穩定性，進而影響焊接部件的使用壽命。

對于出口集箱組件可采用整體熱處理或僅對焊縫做局部熱處理。如果對集箱組件自UNS N08800與A182 F11 CL.3焊縫至封頭處進行整體熱處理，由于操作空間受限，應充分考慮集箱組件的自重對熱處理過程及結構尺寸的影響;如果對焊縫進行局部熱處理，加強管接頭與集箱筒體的熱處理需要制作專門的工裝，應充分考慮熱處理過程中加熱效果、熱應力、焊接殘余應力對熱處理效果的影響。如何進行焊后熱處理及其時機選擇將直接影響設備能否滿足使用要求。

如何將這樣兩種焊接特性截然相反且焊后熱處理狀態要求不同的材料組焊在一起，并使組焊后焊接接頭的機械性能滿足設備使用性能的需要，是文中要探討解決的問題。

2 焊接工藝的探討

ASME第Ⅸ卷規定：工藝評定用一個P-No.+另一個P-No.材料，評定后的母材范圍為與評定試件相同的兩種P-No.組成的接頭，A182 F11 CL.3類屬于鍛件，采購成本較高，故使用與A182 F11 CL.3相同P-No.的A335 P11進行評定。

鎢極氣體保護焊焊接UNS N08800可選擇ERNiCr-3（INCONEL 82）作為填充金屬[6]，該焊絲應用范圍廣泛，可用于異種材料的焊接，如INCONEL系列合金、INCOLOY系列合金的焊接，或INCOLOY 330合金與鎳、MONEL系列合金和不銹鋼以及碳鋼的焊接，也可用于不銹鋼與鎳基合金或碳鋼。

因此，選用焊絲ERNiCr-3（INCONEL 82）作為填充金屬焊接UNS N08800與A335 P11的異種鋼，其成分見表3，用該焊絲焊接形成的焊縫金屬具有較高的強度和較好的耐蝕性，在高溫下還具有較好的抗氧化能力和較高的蠕變破裂強度。

具體工藝思路：采用手工鎢極氣體保護焊焊接方法，對兩種材料對接焊縫進行工藝評定。首先在P11管端坡口處用ERNiCr-3焊絲堆焊出一個隔離層，對帶有隔離層的A335 P11管材進行焊后熱處理，加工坡口后，再將UNS N08800管材與帶隔離層的A335 P11管材組焊，焊后則不需要進行熱處理，這樣就可以成功地避開兩種材料直接組焊時，P11材料需要焊前預熱、施焊過程中保持較高層間溫度，而N08800則需要快速冷卻、較低層間溫度的矛盾沖突，避免產生冷裂紋及熱裂紋;同時也解決了兩種材料焊后熱處理的矛盾問題。

2.1 焊接材料

（1）母材：ASTM A335 P11（φ114.3×6.02 mm）、ASME SB407 UNS N08800（φ114.3×9.99 mm）。

（2）電極：鈰鎢極，φ2.5 mm。

（3）焊絲：AWS A5.14 ERNiCr-3，φ2.4 mm。

（4）保護氣體：純度大于99.99%的氬氣，流量為8～15 L/min，背面氬氣流量6～10 L/min。

（5）焊接設備：Miller 350LX交直流兩用氬弧焊機。

2.2 焊前準備

（1） 坡口制備：根據ASME焊接規范要求，對焊接試件采用機械加工法制備坡口，并對UNS N08800側母材坡口端部進行削薄處理（為節約成本，采用不等壁厚管焊接，覆蓋范圍按薄壁側）。焊接工藝評定接頭簡圖如圖3所示。

（2） 焊前清理：組對前，用角磨機清除坡口及母材兩側表面20 mm范圍內的氧化物、油污及其他影響焊接質量的有害雜質。

2.3 預熱及層間溫度（堆焊隔離層）確定

P11焊前距坡口50 mm范圍內進行預熱，預熱溫度150～215 ℃，待溫度均勻化后在坡口處堆焊隔離層。

2.4 焊接工藝參數

按表4的焊接工藝參數先用ERNiCr-3焊材進行第一層堆焊，焊后進行熱處理，并在冷卻后對隔離層表面進行滲透檢查，確認沒有缺陷后，再使用ERNiCr-3焊絲繼續進行堆焊。每焊一層做一次檢驗，直到隔離層厚度滿足5～8 mm為止。

2.5 焊后熱處理（堆焊隔離層）

評定試件的局部熱處理可滿足工藝要求，但評定試件的保溫時間應綜合考慮到出口集箱組合件的焊后熱處理厚度δ，試件焊接完成后立即對堆焊隔離層后的部位進行690±15 ℃、保溫時間為90±5 min的局部焊后熱處理，選定的工藝曲線如圖4所示，堆焊隔離層后的焊后熱處理試件及自動記錄曲線如圖5所示。熱處理的入爐溫度、升溫速度、保溫要求、降溫速度、出爐溫度等各項要求嚴格按ASME第Ⅰ卷PW-39要求執行[2]。

2.6 對接坡口焊縫施焊

用砂輪機對隔離層進行修整，并按工藝要求打磨出焊接坡口，然后與UNS N08800的接管組對。組對時調整好組對間隙和對口錯邊量，注意避免強力組對，以減少拘束力對焊接過程的影響，從而避免焊接時熱裂紋的產生。

對含鉻量大于3%或合金元素總含量大于5%的焊件[7]，單面鎢極氬弧焊打底焊接時，焊縫內側需要充氬，實施內保護以防止氧化及過燒現象。對試件焊縫背面進行氣體保護時，管內開始充氬氣時流量可適當加大，確認管內空氣完全排除后方可施焊，焊接時氬氣流量逐步降低，以避免管內氬氣壓力較高導致焊縫背面成形時出現內凹或根部未焊透現象。

此時接頭兩側分別為鐵鎳合金與鎳合金材料，焊接性能良好，施焊時應滿足UNS N08800材料焊接特性的要求。按表5的焊接參數要求，盡量減少熱量輸入，采用小電流、多層多道焊，保持適當的焊接速度，將層間溫度控制在100 ℃以內，并用紅外測溫設備隨時進行測量，每施焊一層做一次檢驗，直到焊縫符合工藝要求為止。

3 質量檢驗與力學性能試驗

3.1 外觀及無損檢查

焊后對焊縫部位進行目視檢查，對接焊縫外觀成形良好，無可見缺陷。對焊縫進行100%PT+100%RT，未見任何缺陷，包括堆焊的隔離層，無損檢測結果均滿足ASME第Ⅴ卷及技術協議的要求[5]。

3.2 力學性能及宏觀金相檢查

在力學性能試驗中，拉伸、彎曲性能（見表6）均滿足ASME第Ⅸ卷要求，驗證性試驗補加的宏觀金相（見圖6）也滿足ASME第Ⅸ卷要求[8]。由表6可知，斷裂部位均在P11爐管側，焊縫強度均高于母材強度。對焊縫及其鄰近的母材熱影響區域進行維氏硬度試驗，結果見表7。可以看出，焊縫處強度與母材的硬度大致相當，滿足要求。

4 結論

A335 P11與UNS N08800的焊接性能試驗結果表明，擬定的焊接工藝合理。工程應用中還需注意以下幾點：（1） 隔離層堆焊過程中進行PT檢查時，隔離層表面的滲透液等影響焊接性能的多余物必須徹底清除干凈后方可施焊。（2） 坡口焊時，層間溫度不能過高，冷卻后檢查無缺陷方可進行焊接。（3） 坡口焊縫焊后冷卻速度應大些，以減少焊接接頭在高溫下的停留時間。（4） 焊接過程中應確保氬氣保護效果良好。（5） 業主提出的焊后熱處理要求明確指出：需進行焊后熱處理的接頭應在焊接完成后立即進行熱處理，且不允許低于149 ℃。由于結構限制，此項目實現有一定困難，因此宜先將堆焊隔離層后的接頭進行300～350 ℃、保溫1 h的后熱處理，消氫后再與出口集箱組焊后同出口集箱組件進行整體熱處理，UNS N08800與A182 F11 CL.3管材對接焊縫為承壓件施焊過程中的最后一組焊縫。

按工藝要求進行施工，UNS N08800與A182 F11CL.3異種鋼對接接頭按ASME第Ⅴ卷進行100%RT+100%PT檢測，全部一次檢測合格。

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