本站原创摘 要：电站锅炉过热管的异种钢焊接技术深刻影响着过热管的工作性能与寿命,进而也影响着电站与电力行业的发展.本文对当前异种钢焊接技术的研究现状和成果进行了简单的总结,在此基础上分析了电站锅炉过热管异种钢的焊接特性.
关 键 词：电站锅炉；异种钢焊接；失效
中图分类号：TK22文献标识码：A
当前,随着我国经济的快速发展,电力行业作为国民经济基础产业之一的重要地位愈发显得重要.同时,面对当前国际能源状况普遍紧张的局势,电力作为与之息息相关的产业必须加快发展步伐,这就要求我们下大力气研究影响电力发展的各个环节的因素,尤其是技术因素.电站发电机组由于各个部位工作温度不尽相同,必然会涉及到异种钢焊接的问题.对于电站锅炉来说,过热管是重要的高温原件,同时承受着外部的高温烟气和内部的高压蒸汽,故对其钢材的选用及焊接技术均有较高的要求.为适应电力行业发展的需要,研究和掌握这种电站锅炉过热管异种钢的焊接技术、充分了解其焊接特性对于当下电力工作者来说必须作为重要的技术任务来攻克.
1异种钢焊接性的研究现状
异种钢焊接作为一门比较新的技术与同种钢材的焊接相比有较大不同,一般来说更为困难,其焊接性主要取决于两种材料的物理性、表面状态、冶金相溶性等,性能差异越大焊接也会越困难.通常来说,异种钢焊接指母材属于不同类别钢材的焊接,异种钢焊接接头主要包含两个方面的意思：金属组织和化学成分都不相同（如奥氏体和非奥氏体钢）；金属组织相同但化学成分不同.现阶段业界对异种钢焊接已有一定的认识.
1.1熔合区组织的变化
焊接接头是由焊缝、熔合区及热影响区组成的.熔合区也称作半熔化区,处于焊缝与热影响区之间,是一个非常窄的区域.由于熔合区化学成分不均匀,组织缺陷多,塑性、韧性极差,是整个接头中的薄弱地带.通常情况下焊接结构的破坏也多发生在熔合区,因此熔合区的研究对于异种钢的焊接有着重要的作用.
现在的研究理论一般将熔合区划分为不完全混合区和部分熔化区两部分.焊接过程中,由于Cr、Ni含量的减少,特别是当Ni含量低于5%～6%时,熔合区将开始产生马氏体转变,形成一个脆而硬的马氏体层,不完全混合区即是这样一个主要由马氏体、类马氏体构成的混合组织区域.部分熔化区顾名思义是指焊接过程中只产生部分熔化的区域,异种钢的焊接中,热影响区靠近焊接池的部位由于会受到焊接时产生的高温影响而发生部分熔化形成此区域.现在已有研究认为,部分熔化区的宽度会随着含碳量的增高而增加.
1.2碳扩散
碳扩散在异种钢的焊接中是一个较为普遍的现象,尤其是在焊缝的合金成分与母材相差较大的情况下.由于碳原子尺寸很小,再加上焊接过程中的高温作用导致熔合区内碳元素极易发生迁移扩散的现象,具体表现为脱碳层和增碳层的出现.实际焊接过程中,碳扩散主要的方向是由母材向焊缝一侧进行,也即是由低合金一侧向高合金一侧进行,由此分别会在靠近母材与焊缝两侧形成脱碳层和增碳层.往往碳含量对于金属的硬度和韧性都有较大的影响,脱碳层由于碳含量低导致金属强度降低,增碳层由于碳含量高虽然强度有所增强但是韧性很低,所以碳迁移无论对于脱碳层或是增碳层来说都可能会导致结构易断裂.
通常情况下碳扩散真正在焊接过程中形成大规模效应的机会并不是很大,这是由于碳原子迁移致形成相应脱碳层、增碳层的效果除了要受到温度的影响之外还有一定的时间要求,焊接后长时间的高温热处理或者高温工作往往才是碳扩散的重要形成因素.故对于电站锅炉过热管这样的长期处于高温工作条件下的异种钢焊接件来说,碳扩散的影响不容小觑.
1.3焊接区的应力状态
异种钢焊接产生的碳扩散现象在之前已经简单叙述过,其所生成的脱碳层和增碳层不仅仅对结构韧性和强度有很大的影响,同时也改变了焊接区的应力状态.具体来说,长期处于高温工作环境下的接头在冷却时会导致拘束应力集中在增碳层,这是由于脱碳层较强的韧性和塑性变形能力很好的吸收了该区域的拘束应力.
另外在实际焊接中,由于焊缝金属与母材的热膨胀系数不尽相同,甚至差别很大,也会因此导致接头区域残余热应力.这些残余应力均不能通过热处理被完全消除掉,并且很有可能会导致接头区域结构缺陷继续扩大,甚至发生断裂危险.工程中应尽量使焊缝和母材强度差异较小,这样有利于减小残余应力造成损害的可能性.
1.4小结
一般情况下,异种钢焊接存在着一些固有的问题,包括其接头室温下与长期高温运行后的机械性能变化较大（室温下优于母材性能,高温运行下反之）、焊后热处理不能完全消除接头区域的残余应力等等.这些问题一直以来都在制约着异种钢焊接技术的发展,但是目前为止并没有找到根本的解决方法.前人已经对异种钢的焊接做出了大量的研究成果,现阶段对这些成果进行归纳总结可有效的指导针对这些未解的固有问题的深入研究,进一步提高异种钢焊接技术.
2电站锅炉过热管异种钢及其焊接接头特性
电站锅炉长期处于高温高压的工作环境,工况条件十分恶劣,故对钢材的性能要求极高.一般来说,电站所用钢材中均需要添加大量合金元素诸如碳、镍、钒等等,他们都能对异种钢焊接性能产生一定的影响.也正是由于这些因素的作用,电站锅炉过热管的焊接特性呈现出不同于普通焊接的复杂特点.
2.1焊缝的不均匀性
锅炉过热管异种钢焊接接头中,焊缝的不均匀性尤为明显.由于焊接过程中焊缝金属是由母材和填充金属混合而成,故焊后必然会导致焊缝化学成分不均匀,其中基体金属在焊缝中所占的比例对焊缝的金属性能影响较大.也正是由于焊缝化学成分的不均匀性,必然会导致其金相组织分布极为不均,这些因素最终都会导致焊缝各区域产生塑性、硬度差异很大的现象.
2.2焊接接头的界面应力
之前的叙述中已经提到过,由于异种钢焊接过程中各不同材料之间的热膨胀系数不同甚至会相差很大,可能会导致焊缝中残余应力损害性增大,同时碳扩散所带来的影响也会造成不同区域应力状态的差异,这些因素都直接影响着接头界面应力的分布.所以,异种钢焊接过程中接头界面应力集中效应是比较大的,即使是焊后热处理也不能有效的解决这个问题所带来的影响.异种钢接头界面应力问题已然制约着异种钢焊接技术的进步,所以更加值得焊接工作者在这方面做更加深入的研究.
2.3焊后热处理对接头的影响
普通焊接的焊后热处理通常是松弛焊接残余应力的有效方法,能够很好的稳定结构的形状和尺寸,减少结构畸变的产生,同时也可改善母材和焊接接头的性能,提高焊缝金属的塑性.但是对于异种钢来说,焊后的热处理存在不确定因素：一方面焊后热处理对焊接接头的高温时效性能有利,特别是对于Ni基合金焊缝金属；另一方面也有研究认为异种钢焊后热处理会加剧碳扩散情况,使接头强度分布不均匀,同时也不能完全消除残余应力.对于异种钢的焊后热处理问题,还是今后值得继续深入研究的方向.
2.4接头的早期失效
电站锅炉过热管异种钢焊接技术虽然已在世界各国推行多年,但是一直以来其接头普遍存在的早期失效问题依然在禁锢着电站的技术、经济发展.电站中异种钢接头的失效往往是脆性的,但是诸如文章中提到的碳扩散、热膨胀系数差异等等所致使的接头物理、化学性能的变化却并不是接头早期失效的决定性因素.同时也有研究认为蠕变裂纹是引起异种钢焊接接头早期失效的原因,可通过实施措施改善焊接材料之间蠕变强度的不匹配性来防止早期失效的损害.但目前为止关于接头早期失效的原因可以说还是一个悬而未决的疑问,有待继续研究.
结语
对于电站锅炉过热管而言,异种钢焊接接头工作环境恶劣,并且其本身具有极复杂的性能与成因,诸如碳扩散形成的脱碳层、增碳层所造成的塑性、强度分布差异以及热膨胀系数差异与碳扩散共同导致的应力分布不均等等.这些因素综合导致了接头失效危害的产生,并极大的制约了电站技术的进步和经济效益的提升,甚至对能源的利用效率也产生一定的负面影响.因此,充分了解异种钢焊接特性,研究其碳扩散、界面应力集中、焊缝组织成分及分布不均匀等现象并尝试深入剖析其根本原因是当前焊接研究者应当深入研究的方向.