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低合金鋼SA-213T22與鎳基合金Incoloy800H材料用于核電換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造，兩種材料之間的異種鋼對(duì)接焊縫的性能和質(zhì)量是影響換熱設(shè)備性能和使用壽命的關(guān)鍵。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比兩種材料異種鋼對(duì)接接頭焊態(tài)和熱處理態(tài)的金相組織變化和力學(xué)性能變化，了解焊后熱處理對(duì)異種鋼對(duì)接焊縫的性能影響，制訂合理的制造工藝，并成功應(yīng)用于核電換熱設(shè)備異種鋼換熱管的焊接。

鐵素體SA-213T22（2．25Cr-1Mo）換熱管為低合金耐熱鋼，多用于鍋爐、過(guò)熱器的制造，具有耐高溫、持久等特點(diǎn)；鎳基合金SB-163UNSN08810（Incoloy800H）換熱管為Ni-Cr-Fe系鎳基耐蝕合金，多用于制造蒸汽發(fā)生器傳熱管，具有高強(qiáng)度、耐高溫、焊接性能優(yōu)異、耐腐蝕等特點(diǎn)。兩種材料的線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率和磁導(dǎo)率不同，化學(xué)成分、金相組織及性能存在較大差異。兩種材料的換熱管對(duì)接焊縫為鐵素體鋼與奧氏體鋼的異種鋼焊縫，其存在以下幾個(gè)固有問(wèn)題：高溫下或高溫長(zhǎng)期運(yùn)行后，焊接接頭區(qū)的力學(xué)性能（如拉伸、沖擊、彎曲等）性能劣于母材；受到兩側(cè)母材稀釋，接頭熱強(qiáng)性、抗腐蝕和抗氧化性能等降低，接頭殘余應(yīng)力較大；焊后熱處理或高溫運(yùn)行過(guò)程中，在焊縫邊界兩側(cè)出現(xiàn)富碳區(qū)和貧碳區(qū)，焊縫邊界及熱影響區(qū)附近易產(chǎn)生裂紋源等。SA-213T22與SB-163UNSN08810異種鋼對(duì)接接頭中，焊縫金屬和SA-213T22側(cè)熱影響區(qū)將是最為薄弱的區(qū)域。

目前，鐵素體鋼與奧氏體鋼異種鋼對(duì)接焊縫常采用堆焊鎳基或不銹鋼隔離層，并采用鎳基或不銹鋼材料進(jìn)行填充。

美、德等國(guó)家早期在第四代核電高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)和研究過(guò)程中，對(duì)2．25Cr-1Mo材料與Incoloy800H材料異種鋼對(duì)接焊縫進(jìn)行試驗(yàn)研究時(shí)，采用鎳-鉻-鐵鎳基合金作為過(guò)渡金屬進(jìn)行對(duì)接接頭填充。

1工藝材料及方法

1．1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用準(zhǔn)19mm×3mm的鎳基合金SB-163UNSN08810（Incoloy800H）和低合金耐熱鋼SA-213T22換熱直管，其中換熱管材質(zhì)化學(xué)分析結(jié)果和力學(xué)性能結(jié)果分別見(jiàn)表1~表3。

1．2焊接試件制備

選用長(zhǎng)度為100～150mm的SA-213T22鋼和Incoloy800H換熱管直管，管端加工坡口。為了降低異種鋼對(duì)接焊縫T22鋼側(cè)熱影響區(qū)的成分稀釋，避免明顯的碳遷移現(xiàn)象，保證焊縫在高溫運(yùn)行環(huán)境下的性能，異種鋼換熱管焊縫采用填充ERNiCr-3過(guò)渡金屬的焊接接頭形式。焊接時(shí)，采用焊縫正面氦氣保護(hù)，焊縫背面氬氣保護(hù)的自動(dòng)鎢極氬弧焊工藝。

依據(jù)ASMEBPVC-Ⅲ第一冊(cè)NB分卷要求，對(duì)于SA-213T22換熱管（P-No．5A類）材料焊接后需要進(jìn)行675～760℃，不少于30min的焊后熱處理，與此同時(shí)，對(duì)于名義厚度t≤13mm，名義直徑≤100mm，檢測(cè)的w（Cr）≤3．00％，w（C）≤0．15％的管對(duì)接焊縫可以通過(guò)焊前預(yù)熱（≥150℃）免除強(qiáng)制性焊后熱處理。

焊接試驗(yàn)分為2組：一組對(duì)接試件采用焊前預(yù)熱，焊后不進(jìn)行焊后熱處理的焊接工藝（后稱焊態(tài)試件）。另外一組對(duì)接試件采用焊前不預(yù)熱，焊后局部熱處理的焊接工藝（后稱熱處理態(tài)試件）。

1．2．1焊態(tài)試件

選取第1組對(duì)接試件，焊前完成試件清理和組對(duì)裝配后，通過(guò)火焰加熱的方式，將試件預(yù)熱到150℃以上后，采用自動(dòng)鎢極氬弧焊焊接工藝焊接試件。

1．2．2熱處理態(tài)試件

選取第1組對(duì)接試件，焊前完成試件清理和組對(duì)裝配后，未經(jīng)焊前預(yù)熱，采用自動(dòng)鎢極氬弧焊焊接工藝焊接試件。

在完成對(duì)接接頭焊接后，對(duì)焊接接頭進(jìn)行（690±10）℃×（30～45）min的局部熱處理，其中400℃以上的升降溫速率≤200℃/h。

2接頭性能分析及結(jié)果

SA-213T22鋼與Incoloy800H換熱管對(duì)接接頭為鐵素體鋼和鎳基合金的異種鋼對(duì)接焊縫，焊接接頭的構(gòu)成如圖1所示。

分別對(duì)焊態(tài)和熱處理態(tài)兩種SA-213T22與Incoloy800H異種鋼對(duì)接接頭的常規(guī)性能進(jìn)行對(duì)比分析，包括室溫拉伸試驗(yàn)、高溫（550℃）拉伸、彎曲試驗(yàn)、硬度和金相組織。

2．1室溫拉伸試驗(yàn)

選取焊態(tài)與熱處理態(tài)換熱管異種鋼對(duì)接接頭分別進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)。試樣的制備和試驗(yàn)依據(jù)GB/T2651—2008進(jìn)行。

試驗(yàn)結(jié)果表明，2種狀態(tài)的T22與Incoloy800H異種材料對(duì)接焊縫的室溫拉伸斷裂值為655～740MPa，均高于T22鋼側(cè)母材的最低抗拉強(qiáng)度（≥415MPa），試樣的斷裂位置均在T22鋼側(cè)母材區(qū)域，為韌性斷裂。相比較而言，經(jīng)歷了焊后熱處理的焊接接頭室溫拉伸斷裂強(qiáng)度略有下降。

2．2高溫拉伸試驗(yàn)

選取焊態(tài)與熱處理態(tài)的換熱管異種鋼對(duì)接接頭分別進(jìn)行高溫（550℃）拉伸試驗(yàn)。高溫拉伸試樣的制備和試驗(yàn)依據(jù)GB/T4338—2006進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接接頭的高溫拉伸試樣斷裂在T22鋼側(cè)母材，斷裂位置距離焊縫最寬處邊緣約15mm，為韌性斷裂，拉伸斷裂值為320～358MPa，均大于T22鋼側(cè)母材的最低抗拉強(qiáng)度（≥358MPa）。兩種狀態(tài)焊接接頭高溫拉伸斷裂強(qiáng)度值無(wú)明顯變化。

2．3接頭面彎、背彎試驗(yàn)

依據(jù)GB/T2653—2008，對(duì)焊態(tài)與熱處理態(tài)的異種鋼換熱管對(duì)接接頭制備面彎和背彎試樣。利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行對(duì)接接頭的面彎和背彎試驗(yàn)；彎頭直徑D＝4a，彎曲角度為180°。異種鋼對(duì)接由于焊縫兩側(cè)的2種材料的熱膨脹系數(shù)存在差異，焊接接頭中存在殘余應(yīng)力，2種母材存在不同的延展性，致使在進(jìn)行接頭面彎和背彎試驗(yàn)時(shí)，容易造成部分彎曲試樣無(wú)效。

SA-213T22材料在焊接時(shí)，易在熱影響區(qū)中產(chǎn)生淬硬組織，致使在進(jìn)行接頭背彎試驗(yàn)時(shí)，熔合線附近出現(xiàn)局部開(kāi)裂現(xiàn)象的幾率較高。

對(duì)比焊態(tài)和焊后熱處理態(tài)的異種鋼對(duì)接接頭試驗(yàn)，焊后熱處理態(tài)接頭的彎曲試驗(yàn)結(jié)果明顯優(yōu)于焊態(tài)接頭的試驗(yàn)結(jié)果，如圖2所示。其中，焊態(tài)試件在SA-213T22鋼側(cè)熔合線附近產(chǎn)生局部開(kāi)裂的幾率明顯高于熱處理態(tài)試件。

2．4焊接接頭的硬度試驗(yàn)

側(cè)彎試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)異種鋼對(duì)接接頭SA-213T22側(cè)熱影響區(qū)附近常常出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，然而熱處理態(tài)的異種鋼對(duì)接接頭有明顯改善。

分別選取焊態(tài)以及焊后熱處理狀態(tài)對(duì)接接頭，按圖3所示采用機(jī)械法切取硬度測(cè)試試樣，試樣包括焊縫、兩側(cè)熱影響區(qū)及兩側(cè)母材。

硬度測(cè)試試樣的檢驗(yàn)面選取換熱管厚度截面，檢驗(yàn)面經(jīng)拋磨腐蝕后，在接頭截面垂直于焊縫方向沿截面中心線進(jìn)行維氏硬度打點(diǎn)測(cè)試，以焊縫中心為原點(diǎn)，向接頭兩側(cè)每隔0．5mm進(jìn)行載荷為100N的維氏硬度測(cè)定。

對(duì)比分析焊態(tài)與熱處理態(tài)兩種狀態(tài)異種鋼對(duì)接接頭的HV10硬度變化曲線如圖4所示。接頭焊縫金屬的硬度值約為HV10140，焊后熱處理對(duì)焊縫金屬硬度影響不大。

焊態(tài)接頭SA-213T22鋼側(cè)熱影響區(qū)隨著與熔合線距離的增大，硬度迅速升高，在距焊縫中心約5mm處達(dá)到峰值HV10320，而后迅速下降，在距焊縫中心約8mm處硬度值恢復(fù)至母材的硬度值HV10178；熱處理態(tài)的焊接接頭，SA-213T22鋼側(cè)熱影響區(qū)硬度峰值降低到了約HV10250。

2．5焊接接頭的金相試驗(yàn)

對(duì)比預(yù)熱不焊后熱處理（焊態(tài)）和不預(yù)熱焊后熱處理（焊后熱處理態(tài)）2種工藝狀態(tài)下的異種鋼對(duì)接接頭各個(gè)區(qū)域的微觀金相組織，焊態(tài)和熱處理態(tài)焊接接頭兩側(cè)的母材及焊縫金屬的金相組織均未發(fā)生變化，其中SA-213T22鋼側(cè)母材為鐵素體組織；焊縫、Incoloy800H合金側(cè)母材及熱影響區(qū)組織為奧氏體組織。

只有SA-213T22鋼側(cè)焊縫熱影響區(qū)的組織發(fā)生了明顯變化，如圖5所示，由焊態(tài)下的貝氏體＋馬氏體＋少量鐵素體組織變化成了熱處理狀態(tài)下的貝氏體＋回火索氏體＋少量鐵素體組織。焊后熱處理對(duì)T22鋼側(cè)熱影響區(qū)的微觀組織結(jié)構(gòu)有所改善，有效地改善了接頭性能。

3結(jié)論

（1）筆者通過(guò)采用自動(dòng)鎢極氬弧焊實(shí)現(xiàn)了SA-213T22鋼與Incoloy800H合金異種金屬換熱管對(duì)接焊。采用預(yù)熱不焊后熱處理和不預(yù)熱進(jìn)行焊后熱處理，這2種工藝均可以得到滿足設(shè)計(jì)要求的異種金屬對(duì)接焊焊縫。

（2）通過(guò)室溫拉伸試驗(yàn)和高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，進(jìn)行焊后熱處理的異種金屬對(duì)接接頭抗拉強(qiáng)度略有下降，相比較焊態(tài)對(duì)接接頭變化不大。

（3）對(duì)經(jīng)焊后熱處理的異種鋼對(duì)接接頭進(jìn)行面彎、背彎試驗(yàn)，其結(jié)果明顯優(yōu)于焊態(tài)焊接接頭的試驗(yàn)結(jié)果。異種鋼對(duì)接接頭易在SA-213T22鋼側(cè)熱影響區(qū)附近產(chǎn)生淬硬組織造成彎曲試樣失效和開(kāi)裂。

（4）SA-213T22與Incoloy800H異種金屬對(duì)接接頭中，SA-213T22鋼側(cè)熱影響區(qū)的硬度值明顯高于接頭其他區(qū)域，最大硬度峰值達(dá)到約HV10320。焊后熱處理能夠降低SA-213T22鋼側(cè)熱影響區(qū)的硬度，使最大硬度峰值達(dá)到約HV10250。

（5）合理的焊后熱處理制度能夠適當(dāng)?shù)叵�除異種金屬對(duì)接接頭及熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力，降低應(yīng)力腐蝕的敏感性，軟化熱影響區(qū)，提高焊縫金屬的塑性等作用。