CN108161184A - 一种先进超超临界锅炉用异种材料管材的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种先进超超临界锅炉用异种材料管材的焊接方法，属于锅炉用异种材料管材焊接领域，其技术要点包括以下步骤：a、焊前准备；b、焊接材料准备；c、对两根管子的焊接接头进行预热；d、焊接过程中采用水冷装置进行喷淋冷却的方式进行层间温度控制；e、焊后检验，焊接完成后按标准对焊接接头进行检验。本发明将两个异种材料管材进行焊接时，选择镍基合金作填充材料，在热丝机械钨极氩弧焊过程中可通过采用水冷装置进行喷淋冷却的方式进行层间温度控制，保证了焊接质量又不会影响焊接效率，根据材料本身的化学成分和组织力学性能等确定焊后是否需要进行热处理和如何选择焊后热处理制度，解决了先进超超临界锅炉用候选材料之间的异种材料焊接难题。

Description

一种先进超超临界锅炉用异种材料管材的焊接方法
技术领域：
本发明涉及先进超超临界锅炉用异种材料管材加工领域，具体涉及一种先进超超临界锅炉用异种材料管材的焊接方法。
背景技术：
由于固溶强化镍基合金、镍铁基合金、时效强化镍基合金、马氏体耐热钢及新型奥氏体不锈钢均具有优良的高温力学性能，耐腐蚀性能，故常用来作为先进超超临界锅炉用候选材料。在先进超超临界锅炉所用的部件中常常会存在应用上述材料所进行的异种材料小口径管子的焊接。但这些材料由于化学成分、力学性能和热处理方式的不同，导致异种材料管材在焊接时存在较大的困难，若焊接工艺控制不当，则极易产生裂纹、未熔合、未焊透的缺陷，同时异种材料焊接时还存在热处理制度不兼容等问题。而目前，国内外还没有这些材料的异种材料管材的焊接工艺，因此开发异种材料管材的焊接工艺对解决类似异种马氏体耐热钢、新型奥氏体不锈钢、镍基合金的焊接问题具有极大的参考和借鉴意义。
发明内容：
本发明的目的是提供一种先进超超临界锅炉用异种材料管材的焊接方法，解决了超超临界锅炉用候选异种材料焊接的难题，同时对其他异种材料管材进行焊接时的焊材选择及焊接工艺控制具有借鉴意义。
本发明的锅炉用异种材料管材的焊接方法，为实现上述目的所采用的技术方案在于，包括以下步骤：
a、焊前准备：制备坡口，将手工钨极氩弧焊和热丝机械焊的坡口加工成V型，并对坡口及其内外壁两侧用丙酮进行清理，去除水、油等污物，之后将两根需要焊接的管子进行对口装配，手工钨极氩弧焊时对口间隙为2-3mm，热丝机械钨极氩弧焊时坡口间隙为0-0.5mm；
b、焊接材料准备：采用手工钨极氩弧焊时，选用成分满足ASME SFA5.14标准的直径为φ2.4的ERNiCrCoMo-1高温镍基合金条状焊丝；采用热丝机械钨极氩弧焊进行焊接时，选用成分满足ASME SFA5.14标准的直径为φ1.0的ERNiCrCoMo-1高温镍基合金条状焊丝；
c、对两根管子的焊接接头部位进行预热，当室温低于10℃时，焊前需要对两根管子的焊接接头两侧母材不少于200mm的区域进行预热；
d、焊接过程中采用水冷装置进行喷淋冷却的方式进行层间温度控制；
e、焊后检验，焊接完成后按JB/T 4730标准对焊接接头进行100％RT检验。
作为本发明的进一步改进，所述两种管材的材质为Alloy617B固溶强化镍基合金和GH984G镍铁基合金。
作为本发明的进一步改进，所述两种管材的材质为Alloy617B固溶强化镍基合金和HAYNES 282时效强化镍基合金。
作为本发明的进一步改进，所述两种管材的材质为Alloy617B固溶强化镍基合金和Inconel 740H时效强化镍基合金。
作为本发明的进一步改进，所述两种管材的材质为Alloy617B固溶强化镍基合金和SA-213T92马氏体耐热钢。
作为本发明的进一步改进，所述两种管材的材质为Alloy617B固溶强化镍基合金和UNS S31035新型奥氏体不锈钢。
作为本发明的进一步改进，所述两种管材的材质为UNS S31035新型奥氏体不锈钢和SA-213T92马氏体耐热钢。
作为本发明的进一步改进，在焊前对除Alloy617B管材之外的另一管材侧进行730-800℃/4h/空冷、1010℃/2h/空冷+788℃/8h/空冷和760-816℃/4h/空冷的时效强化热处理。
作为本发明的进一步改进，在步骤c前，对来料状态为固溶态的Alloy617B固溶强化镍基合金和另一镍基合金管材进行焊接后，对另一镍基合金管材的全部及两个管材的焊接接头进行整体的730-800℃/4h/空冷、788℃/8h/空冷和760-816℃/4h/空冷的时效强化热处理。
作为本发明的进一步改进，要求两个异种管材的来料状态为固溶态。
作为本发明的进一步改进，Alloy617B固溶强化镍基合金和GH984G镍铁基合金的焊接规范参数如表1所示；
表1：焊接规范参数
Alloy617B固溶强化镍基合金和HAYNES 282时效强化镍基合金的焊接规范参数如表2所示；
表2：焊接规范参数
Alloy617B固溶强化镍基合金和Inconel 740H时效强化镍基合金的焊接规范参数如表3所示；
表3：焊接规范参数
Alloy617B固溶强化镍基合金和SA-213T92马氏体耐热钢的焊接规范参数如表4所示：
表4：焊接规范参数
Alloy617B固溶强化镍基合金和UNS S31035新型奥氏体不锈钢的焊接规范参数如表5所示；
表5：焊接规范参数
UNS S31035新型奥氏体不锈钢和SA-213T92马氏体耐热钢的焊接规范参数如表6所示：
表6焊接规范参数
本发明的有益效果是：本发明将两种管材进行焊接时，选择镍基合金作为填充材料，在热丝机械钨极氩弧焊过程中可以通过采用水冷装置进行喷淋冷却的方式进行层间温度的控制，保证了焊接质量又不会影响焊接效率，根据材料本身性能确定焊后是否需要进行热处理。严格的焊接工艺控制和焊后热处理制度可以保证焊接接头不产生裂纹、气孔、未焊透及未熔合等缺陷。
具体实施方式：
实施例一
本实施例以Alloy617B固溶强化镍基合金所制作的小口径管子和GH984G镍铁基合金所制作的小口径管子进行焊接为例对本发明的具体实施方式进行详细说明：
Alloy617B和GH984G高温镍基合金由于均具有优良的高温力学性能、耐腐蚀性能及易于加工性，故可为650℃及700℃先进超超临界锅炉用候选高温镍基合金。Alloy617B的主要化学成份为55Ni-22Cr-12Co-9Mo-Al-Ti，成份和性能满足ASME SB-167标准，其UNS代号为N06617；GH984G的主要化学成份为42Ni-22Cr-20Fe-2Mo-Al-Ti-Nb，为中国科学院金属研究所开发的一种高温镍铁基合金。在650℃及700℃先进超超临界锅炉中会用到此两种材料所制作的异种镍基合金小口径管子所焊接成的部件。
由于Alloy617B为通过碳化物(主要为碳铬化合物)强化和γ′相(Ni(Al,Ti))强化及通过Cr、Mo、Co固溶强化的固溶强化镍基合金，而GH984G是一种以Cr、Mo、Nb等元素进行固溶强化、以少量Al、Ti进行沉淀强化的镍铁基合金，两种镍基合金焊接时由于微量元素的偏析，易形成低熔点共晶物，在焊接应力的作用下低熔点共晶物容易被拉裂形成热裂纹，同时镍基合金焊接时金属流动性差，极易产生未熔合和未焊透的缺陷，因此异种合金焊接时焊接工艺的控制，焊接材料的选择是难题。另外，Alloy617B焊后不需要进行热处理或进行980℃/3h的稳定化热处理，GH984G焊后和使用状态都要求进行730-800℃/4h/空冷的时效强化热处理，可见两种材料的异种镍基合金接头的焊后热处理制度的兼容存在较大的难题。
考虑到上述因素，发明人采用如下方式对两种材料所制作的管材进行焊接：
两个材料的来料要求:对于使用状态为固溶+时效态要求的GH984G，为降低加工和弯管等的难度，要求其来料状态为固溶态，而对于使用状态为固溶态要求的Alloy 617B，要求其来料状态为固溶态。
焊前准备：制备坡口，将手工钨极氩弧焊和热丝机械焊的坡口加工成V型，并对坡口及其内外壁两侧用丙酮进行清理，去除水、油等污物，将两根需要焊接的管子进行对口装配，手工钨极氩弧焊时对口间隙为2-3mm，热丝机械钨极氩弧焊(Hot-GTAW)时坡口间隙为0-0.5mm；
焊接材料准备：采用手工钨极氩弧焊(GTAW)时，选用成分满足相应标准ASMESFA5.14的直径为φ2.4的ERNiCrCoMo-1高温镍基合金条状焊丝，采用热丝机械钨极氩弧焊(Hot-GTAW)进行焊接时，成分满足相应标准ASME SFA5.14的直径为φ1.0的ERNiCrCoMo-1高温镍基合金条状焊丝。
手工氩弧焊(GTAW)或热丝机械氩弧焊(Hot-GTAW)时，焊接工艺如下:
焊接时焊接规范参数如表1所示；
表1：焊接规范参数
焊接时焊枪和管子内壁使用的保护气体都为100％Ar，氩气纯度在99.99％以上，氩气流量如表1所示。
焊接时，
预热：室温低于10℃时，焊前需要对两根管材的焊接接头两侧母材不少于200mm的区域进行预热，将此区域预热到10-20℃；
手工钨极氩弧焊过程中可通过停弧操作控制层间温度不大于150℃。热丝机械钨极氩弧焊由于是连续焊接，通过测量层间温度可达到500℃-600℃，如此大的层间温度严重影响了焊接质量，焊缝中极易产生热裂纹，本实施例在热丝钨极机械氩弧焊过程中通过采用水冷装置进行喷淋冷却的方式进行层间温度的控制，可以将焊接过程中层间温度控制为不大于150℃,保证了焊接质量；
手工钨极氩弧焊时采用直道或少量摆动的焊接方法，每道焊缝焊后观察保护是否良好，如果发现焊缝表面存在氧化的情况，采用砂轮打磨或其他机械方法去除氧化膜；
手工钨极氩弧焊时应仔细观察熔池，控制氩弧焊枪喷嘴与工件的距离，避免夹钨；
手工钨极氩弧焊应该控制每层焊缝厚度小于3mm，热丝机械钨极氩弧焊应控制每层焊缝厚度小于2mm；
焊后热处理：焊后热处理可以选择如下两种方式之一灵活进行，一种方式为在焊前对GH984G管材侧进行730-800℃/4h/空冷的时效强化热处理，焊接完成后不进行热处理；另一种方式为直接对两种来料状态为固溶态的镍基合金进行焊接，焊后对包含全部的GH984G镍铁基合金管材及GH984G镍铁基合金管材与Alloy617B固溶强化镍基合金管材的焊接接头进行整体的730-800℃/4h/空冷的时效强化热处理。
焊后检验：焊接完成后按JB/T 4730标准对焊接接头进行100％RT检验，要求1级合格。
本实施例的特点：当将一种固溶强化的镍基合金与一种时效强化镍铁基合金进行异种钢焊接时，选择与固溶强化镍基合金相匹配的焊接材料，热丝机械钨极氩弧焊过程中通过采用现有的水冷装置实现对焊接接头进行喷淋冷却来降低层间温度，解决了机械焊连续焊接时层间温度过高影响焊接质量的问题，通过严格的焊接工艺控制解决了两种材料焊接时易产生热裂纹、未焊透和未熔合等焊接难题，焊后热处理可以选择按照时效强化镍铁基合金的焊后热处理制度进行热处理，也可以选择先将时效强化镍铁基合金一侧按照相应的时效强化热处理制度进行热处理，然后异种镍铁基合金焊接完成后不进行热处理。如此进行一方面可以降低成本，另一方面也保证了质量。
本实施例解决了650℃及700℃超超临界锅炉用候选材料Alloy617B+GH984G异种镍基合金的焊接难题，为650℃及700℃超超临界锅炉用候选高温镍基合金Alloy617B和GH984G之间的焊接提供一种新的方法。同时对固溶强化镍基合金与高温镍铁基合金进行异种钢焊接时的焊材选择、焊接工艺控制和热处理制度具有借鉴意义。
实施例二
本实施例以Alloy617B固溶强化镍基合金所制作的小口径管子和HAYNES 282时效强化镍基合金所制作的小口径管子进行焊接为例对本发明的具体实施方式进行详细说明：
Alloy617B和HAYNES 282高温镍基合金由于其优良的高温力学性能、耐腐蚀性能及易于加工性，都是700℃先进超超临界锅炉用候选材料，HAYNES 282是美国哈氏合金公司开发的时效强化高温镍基合金，其化学成分为57Ni-20Cr-10Co-8.5Mo-Al-Ti，在700℃先进超超临界锅炉中会用到此两种材料所制作的异种镍基合金小口径管子所焊接成的部件。
Alloy617B为固溶强化镍基合金，而HAYNES 282为时效强化镍基合金，两种镍基合金焊接时由于微量元素的偏析，易形成低熔点共晶物，在焊接应力的作用下低熔点共晶物容易被拉裂在焊缝中形成热裂纹，同时镍基合金焊接时由于金属流动性差，极易产生未熔合和未焊透的缺陷，且气孔是镍基合金焊接时常见的问题，原因为在熔池凝固过程中气体来不及逸出而形成气孔，因此异种合金焊接时焊接工艺的控制，焊接材料的选择是难题。另外，Alloy617B焊后不需要进行热处理或进行980℃/3h的稳定化热处理，而HAYNES 282焊后和使用状态都要求进行1010℃/2h/空冷+788℃/8h/空冷的两步时效强化热处理，可见这两种材料的异种镍基合金接头的焊后热处理制度的兼容存在较大的难题。
目前，国内外还没有两者的异种镍基合金的焊接工艺。因此开发Alloy617B+HAYNES 282异种镍基合金的焊接工艺对解决类似异种镍基合金的焊接问题具有极大的参考和借鉴意义。
考虑到上述因素，发明人采用如下方式对两种材料所制作的管材进行焊接：
两个材料的来料要求：对于使用状态为固溶+时效态要求的HAYNES 282，为降低加工和弯管等的难度，要求其来料状态为固溶态；而对于使用状态为固溶态要求的Alloy617B，要求其来料状态为固溶态。
焊前准备：制备坡口，将手工钨极氩弧焊和热丝机械钨极氩弧焊的坡口加工成V型，并对坡口及其内外壁两侧用丙酮进行清理，去除水、油等污物；将两根需要焊接的管子进行对口装配，手工钨极氩弧焊时对口间隙为2-3mm，热丝机械钨极氩弧焊(Hot-GTAW)时坡口间隙为0-0.5mm；
焊接材料准备：采用手工钨极氩弧焊(GTAW)时，选用成分满足ASME SFA5.14标准的直径为φ2.4的ERNiCrCoMo-1高温镍基合金条状焊丝；采用热丝机械钨极氩弧焊(Hot-GTAW)进行焊接时，成分满足ASME SFA5.14标准的直径为φ1.0的ERNiCrCoMo-1高温镍基合金盘装焊丝；
手工钨极氩弧焊(GTAW)或热丝机械钨极氩弧焊(Hot-GTAW)时焊接工艺如下:
焊接时焊接规范参数如表2所示；
表2：焊接规范参数
焊接时焊枪和管子内壁使用的保护气体都为100％Ar，氩气纯度在99.99％以上，氩气流量如表2所示。
焊接时，
预热：当室温低于10℃时，焊前需要对焊接接头两侧母材不少于200mm的区域进行预热，将此区域预热到10-20℃；
手工钨极氩弧焊过程中可通过停弧操作控制层间温度不大于150℃；热丝机械钨极氩弧焊由于是连续焊接，通过测量层间温度超过了600℃，如此大的层间温度严重影响了焊接质量，焊缝中极易产生热裂纹，本实施例在热丝机械钨极氩弧焊过程中通过采用水冷装置进行喷淋冷却的方式进行层间温度的控制，可以将焊接过程中层间温度控制为不大于150℃,保证了焊接质量；
手工钨极氩弧焊时采用直道或少量摆动的焊接方式，每道焊缝焊后观察保护是否良好，如果发现焊缝表面存在氧化的情况，采用砂轮打磨或其他机械方法去除氧化膜；
手工钨极氩弧焊时应仔细观察熔池，控制氩弧焊枪喷嘴与工件的距离，避免夹钨；
手工钨极氩弧焊应该控制每层焊缝厚度小于3mm，热丝机械钨极氩弧焊应控制每层焊缝厚度小于2mm；
焊后热处理:焊后热处理可以选择如下两种方式之一灵活进行，一种方式为在异种镍基合金焊前对HAYNES 282时效强化镍基合金管材侧进行1010℃/2h/空冷+788℃/8h/空冷的两步时效强化热处理，焊接完成后不进行热处理；另一种方式为直接对来料状态为固溶态的Alloy617B固溶强化镍基合金和HAYNES 282时效强化镍基合金进行焊接后，对包含全部的HAYNES 282管材及Alloy617B固溶强化镍基合金和HAYNES 282时效强化镍基合金的焊接接头进行整体的788℃/8h/空冷的时效强化热处理。
焊后检验：焊接完成后按JB/T 4730标准对焊接接头进行100％RT检验，要求1级合格。
本实施例的特点：当将一种固溶强化镍基合金与一种两步时效强化镍基合金进行异种镍基合金焊接时，选择与固溶强化镍基合金相匹配的焊接材料，焊接时通过严格的焊接工艺控制解决了两种材料焊接时易产生热裂纹、气孔、未焊透和未熔合等难题，焊后热处理可以选择按照时效强化镍基合金的两步时效强化热处理制度中的低温时效强化热处理制度进行热处理，也可以选择先将时效强化镍基合金一侧按照相应的时效强化热处理制度进行两步时效强化热处理，然后异种镍基合金焊接完成后不进行热处理。如此进行可以保证质量。
本实施例解决了700℃超超临界锅炉用候选高温镍基合金Alloy617B+HAYNES 282焊接时易产生热裂纹、气孔、未焊透和未熔合等焊接难题，为700℃超超临界锅炉用候选高温镍基合金Alloy617B和HAYNES 282之间的焊接提供一种新的方法。同时对对固溶强化镍基合金与时效强化镍基合金进行异种钢焊接时的焊材选择、焊接工艺和热处理制度具有借鉴意义。
实施例三
本实施例以Alloy617B固溶强化镍基合金所制作的小口径管子和Inconel 740H时效强化镍基合金所制作的小口径管子进行焊接为例对本发明的具体实施方式进行详细说明：
Alloy617B和Inconel 740H高温镍基合金由于其优良的高温力学性能、耐腐蚀性能及易于加工性，都是650℃及700℃先进超超临界锅炉用候选材料，Inconel 740H的化学成分为50Ni-25Cr-20Co-Al-Ti-Nb，成份和性能满足ASME Code Case 2702标准，其UNS代号为N07740，在650℃及700℃先进超超临界锅炉中会用到此两种材料所制作的异种镍基合金小口径管子所焊接成的部件。
Alloy617B为固溶强化镍基合金，而Inconel 740H为时效强化镍基合金，两种镍基合金焊接时由于微量元素的偏析，易形成低熔点共晶物，在焊接应力的作用下低熔点共晶物容易被拉裂形成热裂纹，同时镍基合金焊接时金属流动性差，极易产生未熔合和未焊透的缺陷，因此异种合金焊接时焊接工艺的控制，焊接材料的选择是难题。另外，Alloy617B焊后不需要进行热处理或进行980℃/3h的稳定化热处理，Inconel 740H焊后和使用状态都要求进行760-816℃/4h/空冷的时效强化热处理，可见这两种镍基合金的异种镍基合金接头的焊后热处理制度的兼容存在较大的难题。
目前，国内外还没有两者的异种镍基合金的焊接工艺。因此开发Alloy617B+Inconel740H异种镍基合金的焊接工艺对解决类似异种镍基合金的焊接问题具有极大的参考和借鉴意义。
考虑到上述因素，发明人采用如下方式对两种材料所制作的管材进行焊接：
两个材料的来料要求：对于使用状态为固溶+时效态要求的Inconel 740H，为降低加工和弯管等的难度，要求其来料状态为固溶态，而对于使用状态为固溶态要求的Alloy617B，要求其来料状态为固溶态；
焊前准备：制备坡口，将手工钨极氩弧焊和热丝机械钨极氩弧焊的坡口加工成V型，并对坡口及其内外壁两侧用丙酮进行清理，去除水、油等污物，将两根需要焊接的管子进行对口装配；
焊接材料准备：采用手工钨极氩弧焊(GTAW)时，选用成分满足标准ASME SFA5.14的直径为φ2.4的ERNiCrCoMo-1高温镍基合金条状焊丝，采用热丝机械钨极氩弧焊(Hot-GTAW)进行焊接时，成分满足相应标准ASME SFA5.14的直径为φ1.0的ERNiCrCoMo-1高温镍基合金盘装焊丝；
手工钨极氩弧焊(GTAW)或热丝机械钨极氩弧焊(Hot-GTAW)时，焊接工艺如下:
焊接时焊接规范参数如表3所示；
表3：焊接规范参数
焊接时焊枪和管子内壁使用的保护气体都为100％Ar，氩气纯度在99.96％以上，氩气流量如表3所示。
焊接时，
预热：室温较低时(低于10℃)，焊前需要将焊接接头两侧母材各不少于200mm的区域进行预热，将此区域预热到10-20℃；
手工钨极氩弧焊过程中可通过停弧操作控制层间温度不大于150℃。热丝机械钨极氩弧焊由于是连续焊接，通过测量层间温度可达到大于500℃，如此高的层间温度严重影响了焊接质量，焊缝中极易产生热裂纹，本实施例在热丝机械钨极氩弧焊过程中通过采用水冷装置进行喷淋冷却的方式进行层间温度的控制，可以将焊接过程中层间温度控制为不大于150℃,保证了焊接质量；
手工钨极氩弧焊时采用直道或少量摆动的焊接方法，每道焊缝焊后观察保护是否良好，如果发现焊缝表面存在氧化的情况，采用砂轮打磨或其他机械方法去除氧化膜；
手工钨极氩弧焊时应仔细观察熔池，控制氩弧焊枪喷嘴与工件的距离，避免夹钨；
手工钨极氩弧焊应该控制每层焊缝厚度小于3mm，热丝机械钨极氩弧焊应控制每层焊缝厚度小于2mm；
焊后热处理:焊后热处理可以选择如下两种方式之一灵活进行，一种方式为在异种镍基合金焊前对Inconel 740H侧进行760-816℃/4h/空冷的时效强化热处理，焊接完成后不进行热处理；另一种方式为直接对两种来料状态为固溶态的镍基合金进行焊接，焊后对包含全部的Inconel 740H母材、Inconel 740H同种镍基合金焊接接头和Alloy617B+Inconel740H异种镍基合金接头进行整体的760-816℃/4h/空冷的时效强化热处理。
焊后检验：焊接完成后按JB/T 4730标准对焊接接头进行100％RT检验，要求1级合格。
本实施例的特点：一种固溶强化的镍基合金与一种时效强化镍基合金进行异种钢焊接时，选择与固溶强化镍基合金相匹配的焊接材料，焊接时通过严格的焊接工艺控制解决了两种材料焊接时易产生热裂纹、未焊透和未熔合等焊接难题，焊后热处理可以选择按照时效强化镍基合金的焊后热处理制度进行热处理，也可以选择先将时效强化镍基合金一侧按照相应的时效强化热处理制度进行热处理，然后异种镍基合金焊接完成后不进行热处理。如此进行一方面可以降低成本，另一方面也保证了质量。
本实施例解决了650℃及700℃超超临界锅炉用候选高温镍基合金Alloy617B+Inconel740H异种镍基合金焊接时易产生热裂纹、未焊透和未熔合等难题，为650℃及700℃超超临界锅炉用候选高温镍基合金Alloy617B和Inconel 740H之间的焊接提供一种新的方法。同时对固溶强化镍基合金与时效强化镍基合金进行异种钢焊接时的焊材选择和热处理制度具有借鉴意义。
实施例四
本实施例以Alloy617B固溶强化镍基合金所制作的小口径管子和SA-213T92马氏体耐热钢所制作的小口径管子进行焊接为例对本发明的具体实施方式进行详细说明：
SA-213T92的成份和性能满足ASME SA-213标准，目前已经广泛应用在常规超超临界锅炉的受热面部件中。在650℃及700℃先进超超临界锅炉受热面等部件中会用到此两种材料所制作的小口径管子所焊接成的部件。
Alloy617B为固溶强化镍基合金，而SA-213T92为马氏体耐热钢，Alloy617B对热裂纹较为敏感，需要控制焊接热输入，不要求预热，而SA-213T92由于材料淬硬倾向大，任何厚度的材料焊接都要预热，以降低焊缝和热影响区的冷却速度，防止冷裂纹的产生，另一方面焊接线能量过大会产生较大的残余应力导致裂纹的产生，可见两种材料进行焊接时如何进行预热及焊接工艺的控制是难题。另外，Alloy617B焊后不需要进行热处理或进行980℃/3h的稳定化热处理，而SA-213T92焊后要求进行740-770℃的去应力退火热处理，可见两种材料进行焊接时焊后热处理制度的兼容存在较大的难题。
目前，国内外还没有两者之间的异种材料焊接工艺。因此开发Alloy617B+SA-213T92异种材料之间的焊接工艺对解决类似马氏体耐热钢与镍基合金之间的焊接问题具有极大的参考和借鉴意义。
考虑到上述因素，发明人采用如下方式对两种材料所制作的管材进行焊接：
焊前准备：制备坡口，将手工钨极氩弧焊和热丝机械钨极氩弧焊的坡口加工成V型，并对坡口及其内外壁两侧用丙酮进行清理，去除水、油等污物。将两根需要焊接的管子进行对口装配，手工钨极氩弧焊时对口间隙为2-3mm，热丝机械钨极氩弧焊(Hot-GTAW)时坡口间隙为0-0.5mm；
焊接材料准备：采用手工钨极氩弧焊(GTAW)时，选用成分满足ASME SFA5.14标准的直径为φ2.4的ERNiCrCoMo-1或ERNiCr-3高温镍基合金条状焊丝；采用热丝机械钨极氩弧焊(Hot-GTAW)进行焊接时，选用成分满足标准ASME SFA5.14的直径为φ1.0的ERNiCrCoMo-1或ERNiCr-3高温镍基合金盘装焊丝；
手工钨极氩弧焊(GTAW)或热丝机械钨极氩弧焊(Hot-GTAW)的焊接工艺如下：
焊接时焊接规范参数如表4所示：
表4：焊接规范参数
焊接时焊枪和管子内壁使用的保护气体都为100％Ar，氩气纯度在99.99％以上，氩气流量如表4所示；
焊接时；
焊前对SA-213T92侧不少于200mm区域进行预热，预热温度不小于150℃，而对Alloy617B侧不进行预热，解决了两种材料对于预热的不同要求；
焊接过程中控制层间温度在150℃-250℃之间，手工钨极氩弧焊过程中可通过停弧操作控制层间温度。热丝机械钨极氩弧焊由于是连续焊接，通过测量层间温度超过了500℃，如此大的层间温度严重影响了焊接质量，焊缝中极易产生热裂纹，本实施例在热丝机械焊过程中通过采用水冷装置进行喷淋冷却的方式进行层间温度的控制，并要求控制水冷装置出水孔的位置，使冷却水只能喷到Alloy617B一侧，防止冷却水喷到SA-213T92侧，原因为SA-213T92侧材料淬硬倾向大，因此冷却速度过大会产生较大的应力，此措施可以将层间温度控制在150℃-250℃之间,保证了焊接质量；
焊接时采用直道或少量摆动的焊接方法，每道焊缝焊后观察保护是否良好，如果发现焊缝表面存在氧化的情况，采用砂轮打磨或其他机械方法去除氧化膜；
手工钨极氩弧焊时应仔细观察熔池，控制氩弧焊枪喷嘴与工件的距离，避免夹钨；
手工钨极氩弧焊应该控制每层焊缝厚度小于3mm，热丝机械钨极氩弧焊应控制每层焊缝厚度小于2mm；
焊后热处理:焊后热处理按照图1所示的热处理制度进行去应力退火热处理；
焊后检验：焊接完成后按JB/T 4730标准对焊接接头进行100％RT检验，要求1级合格。
本实施例的特点：一种固溶强化镍基合金与马氏体耐热钢进行异种材料焊接时，选择镍基合金作为填充材料,在热丝机械钨极氩弧焊过程中可以通过采用水冷装置进行喷淋冷却的方式进行层间温度的控制，避免了机械焊连续焊接时层间温度过高的缺陷，并要求控制水冷装置出水孔的位置，使冷却水只能喷到Alloy617B管材一侧，防止冷却水喷到SA-213T92管材一侧，焊后热处理按照马氏体耐热钢的焊后热处理制度进行。严格的焊接工艺控制和焊后热处理制度可以保证焊接接头不产生冷、热裂纹。
本实施例解决了650℃及700℃超超临界锅炉用候选高温镍基合金Alloy617B与马氏体耐热钢SA-213T92之间的异种材料焊接难题，为Alloy617B+SA-213T92之间焊接提供一种方法。同时对固溶强化镍基合金与马氏体耐热钢进行异种材料焊接时的焊材选择、焊接工艺控制及焊后热处理制度具有借鉴意义。
实施例五
本实施例以Alloy617B固溶强化镍基合金所制作的小口径管子和UNS S31035新型奥氏体不锈钢所制作的小口径管子进行焊接为例对本发明的具体实施方式进行详细说明：
UNS S31035为瑞典山特维克公司在传统奥氏体不锈钢基础上，加入了W、Co、Cu、B等元素，增强了固溶强化效果，同时析出Nb(C,N)、NbCrN、M23C6和纳米级富Cu相进行沉淀强化，从而开发的一种具有多元复合强化、良好的高温性能和耐氧化/腐蚀性的一种新型奥氏体不锈钢，是650℃先进超超临界锅炉用候选材料，UNS S31035的主要化学成份为22Cr-25Ni-3.5W-3Cu，成份和性能满足ASME Code Case 2753标准，其UNS代号为S31035。Alloy617B高温镍基合金、UNS S31035奥氏体不锈钢都是650℃及700℃先进超超临界锅炉用候选材料，在650℃及700℃先进超超临界锅炉中会用到此两种材料所制作的异种材料小口径管子所焊接成的部件。
两种材料焊接时焊缝金属呈树枝状单相奥氏体体组织，在粗大的晶粒界面上聚集了比FeS熔点更低的(Ni，Fe)S夹杂物，结晶时形成液态薄膜，削弱了晶粒间的联系，且由于两种材料在物理性质上的差异，易产生较大的焊接应力，两种因素的综合增大了裂纹产生的概率，若焊接线能量过大，易形成方向性极强的柱状晶，使杂质的偏析更严重，更会增大结晶裂纹倾向。另外焊缝金属在熔化状态能溶入较多的氧，在高温时易形成NiO，NiO与液态金属中氢和碳反应生成水和CO2，在熔池凝固时这些气体来不及逸出就形成了气孔。同时采用镍基材料进行焊接时金属流动性差，极易产生未熔合和未焊透的缺陷，因此UNS S31035+Alloy617B异种合金焊接时焊接工艺的控制，焊接材料的选择是难题。另外在小口径管采用热丝机械钨极氩弧焊焊接时，如果连续焊接，层间温度超过了500℃严重影响了焊接质量，而如果通过停弧操作控制层间温度会影响焊接操作，可见现有工艺在焊接质量和效率存在矛盾。
目前，国内外还没有两者之间的异种钢焊接工艺。因此开发UNS S31035+Alloy617B异种材料之间的焊接工艺对解决类似固溶强化高温镍基合金与奥氏体不锈钢之间的焊接问题具有极大的参考和借鉴意义。
考虑到上述因素，发明人采用如下方式对两种材料所制作的管材进行焊接：
焊前准备：制备坡口，将手工氩弧焊和热丝机械氩弧焊的坡口加工成V型，并对坡口及其内外壁两侧用丙酮进行清理，去除水、油等污物，之后将两根需要焊接的管子进行对口装配，手工钨极氩弧焊时对口间隙为2-3mm，热丝机械钨极氩弧焊(Hot-GTAW)时坡口间隙为0-0.5mm；
焊接材料准备：采用手工氩弧焊(GTAW)时，选用成分满足标准ASME SFA5.14的直径为φ2.4的ERNiCrCoMo-1高温镍基合金条状焊丝，采用热丝机械氩弧焊(Hot-GTAW)进行焊接时，成分满足标准ASME SFA5.14的直径为φ1.0的ERNiCrCoMo-1高温镍基合金盘装焊丝；
手工氩弧焊(GTAW)或热丝机械氩弧焊(Hot-GTAW)时焊接工艺如下:
焊接时焊接规范参数如表5所示；
表5：焊接规范参数
焊接时焊枪和管子内壁使用的保护气体都为100％Ar，氩气纯度在99.99％以上，氩气流量如表5所示；
焊接时，
预热：室温较低时(低于10℃)，焊前需要将焊接接头两侧母材各不少于200mm区域进行预热，将此区域预热到10-20℃；
手工钨极氩弧焊过程中可通过停弧操作控制层间温度不大于150℃。热丝机械钨极氩弧焊由于是连续焊接，通过测量层间温度可达到大于500℃，如此高的层间温度严重影响了焊接质量，焊缝中极易产生热裂纹，如果通过停弧控制层间温度，又会极大的降低焊接效率，本实施例在热丝机械钨极氩弧焊过程中通过采用水冷装置进行喷淋冷却的方式进行层间温度的控制，可以将焊接过程中层间温度控制为不大于150℃,保证了焊接质量，同时不停弧又不会影响焊接效率；
手工钨极氩弧焊时采用直道或少量摆动的焊接方法，每道焊缝焊后观察保护是否良好，如果发现焊缝表面存在氧化的情况，采用砂轮打磨或其他机械方法去除氧化膜；
手工钨极氩弧焊时应仔细观察熔池，控制氩弧焊枪喷嘴与工件的距离，避免夹钨；
手工钨极氩弧焊应该控制每层焊缝厚度小于3mm，热丝机械钨极氩弧焊应控制每层焊缝厚度小于2mm；
焊后热处理:焊后不需要进行热处理；
焊后检验：焊接完成后按JB/T 4730标准对焊接接头进行100％RT检验，要求1级合格；
本实施例的特点：一种奥氏体不锈钢与固溶强化高温镍基合金进行异种材料焊接时，选择与固溶强化高温镍基合金成分相匹配的材料作为填充材料，在热丝机械钨极氩弧焊过程中可以通过采用水冷装置进行喷淋冷却的方式进行层间温度的控制，保证了焊接质量又不会影响焊接效率，焊后不需要进行热处理。严格的焊接工艺控制和焊后热处理制度可以保证焊接接头不产生热裂纹、气孔和未熔合等缺陷。
本实施例解决了650℃及700℃超超临界锅炉用候选奥氏体不锈钢UNS S31035与固溶强化高温镍基合金Alloy617B之间的异种材料焊接难题，为UNS S31035+Alloy617B之间焊接提供一种方法。同时对奥氏体不锈钢与固溶强化高温镍基合金进行异种材料焊接时的焊材选择及焊接工艺控制具有借鉴意义。
实施例六
本实施例以UNS S31035新型奥氏体不锈钢所制作的小口径管子和SA-213T92马氏体耐热钢所制作的小口径管子进行焊接为例对本发明的具体实施方式进行详细说明：
SA-213T92是一种成熟材料，在锅炉和压力容器中已经广泛应用，其成份和性能满足ASME SA-213标准，在650℃先进超超临界锅炉的受热面等部件中会用到此两种材料所制作的异种材料小口径管子所焊接成的部件。
UNS S31035为奥氏体不锈钢对热裂纹较为敏感，要求控制焊接热输入不能过大，焊前不要求进行预热，而SA-213T92由于材料淬硬倾向大，任何厚度的材料焊接都要预热，以降低焊缝和热影响区的冷却速度，防止冷裂纹的产生，且奥氏体不锈钢UNS S31035和马氏体耐热钢SA-213T92由于线膨胀系数大，靠近两种母材的任何一种选择焊材都会导致焊接接头残余应力过大，因此选择焊材时需要考虑如何降低线膨胀系数的巨大差异，可见两种材料焊接时如何进行预热、焊接时焊接工艺的控制及焊接材料的选择是难题。另外，UNSS31035焊后不要求进行热处理，且奥氏体不锈钢在500-800℃长时间停留会增加晶间腐蚀裂纹的危害性，而SA-213T92焊后要求进行740-770℃的去应力退火热处理，可见两种材料进行焊接时焊后热处理制度的兼容存在较大的难题。
目前，国内外还没有两者之间的异种钢焊接工艺。因此开发UNS S31035+SA-213T92异种材料之间的焊接工艺对解决类似马氏体耐热钢与奥氏体不锈钢之间的焊接问题具有极大的参考和借鉴意义。
考虑到上述因素，发明人采用如下方式对两种材料所制作的管材进行焊接：
焊前准备：制备坡口，将手工钨极氩弧焊和热丝机械氩弧焊的坡口加工成V型，并对坡口及其内外壁两侧用丙酮进行清理，去除水、油等污物；将两根需要焊接的管子进行对口装配，手工钨极氩弧焊时对口间隙为2-3mm，热丝机械钨极氩弧焊(Hot-GTAW)时坡口间隙为0-0.5mm；
焊接材料准备：采用手工钨极氩弧焊(GTAW)时，选用成分满足标准ASME SFA5.14的直径为φ2.4的ERNiCrCoMo-1或ERNiCr-3高温镍基合金条状焊丝，采用热丝机械钨极氩弧焊(Hot-GTAW)进行焊接时，成分满足标准ASME SFA5.14的直径为φ1.0的ERNiCrCoMo-1或ERNiCr-3高温镍基合金盘装焊丝，镍基焊材的线膨胀系数处在马氏体耐热钢和奥氏体不锈钢之间，可以将两种材料进行过渡，降低两种材料线膨胀系数的巨大差异。
手工钨极氩弧焊(GTAW)或热丝机械钨极氩弧焊(Hot-GTAW)时焊接工艺如下：
焊接时焊接规范参数如表6所示：
表6焊接规范参数
焊接时焊枪和管子内壁使用的保护气体都为100％Ar，氩气纯度在99.99％以上，氩气流量如表6所示；
焊接时，
焊前对SA-213T92管材一侧不少于200mm区域进行预热，预热温度不小于150℃，而对UNS S31035管材一侧不进行预热，解决了两种材料对于预热的不同要求；
焊接过程中控制层间温度在150℃-250℃之间，手工钨极氩弧焊过程中可通过停弧操作控制层间温度。热丝机械钨极氩弧焊由于是连续焊接，通过测量层间温度超过了500℃，如此大的层间温度严重影响了焊接质量，焊缝中极易产生热裂纹，本实施例在热丝机械焊过程中通过采用水冷装置进行喷淋冷却的方式进行层间温度的控制，并要求控制水冷装置出水孔的位置，使冷却水只能喷到UNS S31035一侧，防止冷却水喷到SA-213T92侧，原因为SA-213T92侧材料淬硬倾向大，因此冷却速度过大会产生较大的应力，此措施可以将层间温度控制在150℃-250℃之间,保证了焊接质量；
焊接时采用直道或少量摆动的焊接方法，每道焊缝焊后观察保护是否良好，如果发现焊缝表面存在氧化的情况，采用砂轮打磨或其他机械方法去除氧化膜；
手工钨极氩弧焊时应仔细观察熔池，控制氩弧焊枪喷嘴与工件的距离，避免夹钨；
手工钨极氩弧焊应该控制每层焊缝厚度小于3mm，热丝机械钨极氩弧焊应控制每层焊缝厚度小于2mm；
焊后热处理:焊后热处理按照图1所示的焊后热处理制度进行去应力退火热处理，并要求异种钢接头进行整体热处理，且奥氏体不锈钢一侧的材料长度不宜过长，避免奥氏体不锈钢一侧产生敏化；
焊后检验：焊接完成后按JB/T 4730标准对焊接接头进行100％RT检验，要求1级合格。
本实施例的特点：一种奥氏体不锈钢与马氏体耐热钢进行异种材料焊接时，选择镍基合金作为填充材料,在热丝机械氩弧焊过程中可以通过采用水冷装置进行喷淋冷却的方式进行层间温度的控制避免了机械焊连续焊接时层间温度过高的缺陷，并要求控制水冷装置出水孔的位置，使冷却水只能喷到UNS S31035一侧，防止冷却水喷到SA-213T92侧，避免马氏体侧冷却速度过快产生较大的焊接残余应力，焊后热处理按照马氏体耐热钢的焊后热处理制度进行。严格的焊接工艺控制和焊后热处理制度可以保证焊接接头不产生冷、热裂纹。
本实施例解决了650℃超超临界锅炉用候选奥氏体不锈钢UNS S31035与马氏体耐热钢SA-213T92之间的异种材料焊接难题，为UNS S31035+SA-213T92之间焊接提供一种方法，同时对奥氏体不锈钢与马氏体耐热钢进行异种材料焊接时的焊材选择、焊接工艺控制及焊后热处理制度具有借鉴意义。

Claims (10)

1.一种先进超超临界锅炉用异种材料管材的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、焊前准备：制备坡口，将手工钨极氩弧焊和热丝机械焊的坡口加工成V型，并对坡口及其内外壁两侧采用丙酮进行清理，去除水、油等污物，之后将两根需要焊接的管子进行对口装配，手工钨极氩弧焊时对口间隙为2-3mm，热丝机械钨极氩弧焊时坡口间隙为0-0.5mm；
b、焊接材料准备：采用手工钨极氩弧焊时，选用成分满足ASME SFA5.14标准的直径为φ2.4的ERNiCrCoMo-1高温镍基合金条状焊丝；采用热丝机械钨极氩弧焊进行焊接时，选用成分满足ASME SFA5.14标准的直径为φ1.0的ERNiCrCoMo-1高温镍基合金条状焊丝；
c、对两根管子的焊接接头部位进行预热，当室温低于10℃时，焊前需要对两根管子的焊接接头两侧母材不少于200mm的区域进行预热；
d、焊接过程中采用水冷装置进行喷淋冷却的方式进行层间温度控制；
e、焊后检验，焊接完成后按JB/T 4730标准对焊接接头进行100％RT检验。
2.如权利要求1所述的一种先进超超临界锅炉用异种材料管材的焊接方法，其特征在于：所述两种管材的材质为Alloy617B固溶强化镍基合金和GH984G镍铁基合金。
3.如权利要求1所述的一种先进超超临界锅炉用异种材料管材的焊接方法，其特征在于：所述两种管材的材质为Alloy617B固溶强化镍基合金和HAYNES 282时效强化镍基合金。
4.如权利要求1所述的一种先进超超临界锅炉用异种材料管材的焊接方法，其特征在于：所述两种管材的材质为Alloy617B固溶强化镍基合金和Inconel 740H时效强化镍基合金。
5.如权利要求1所述的一种先进超超临界锅炉用异种材料管材的焊接方法，其特征在于：所述两种管材的材质为Alloy617B固溶强化镍基合金和SA-213T92马氏体耐热钢。
6.如权利要求1所述的一种先进超超临界锅炉用异种材料管材的焊接方法，其特征在于：所述两种管材的材质为Alloy617B固溶强化镍基合金和UNS S31035新型奥氏体不锈钢。
7.如权利要求1所述的一种先进超超临界锅炉用异种材料管材的焊接方法，其特征在于：所述两种管材的材质为UNS S31035新型奥氏体不锈钢和SA-213T92马氏体耐热钢。
8.如权利要求2或3或4所述的一种先进超超临界锅炉用异种材料管材的焊接方法，其特征在于：在焊前对除Alloy617B管材之外的另一管材侧进行730-800℃/4h/空冷、1010℃/2h/空冷+788℃/8h/空冷和760-816℃/4h/空冷的时效强化热处理。
9.如权利要求2或3或4所述的一种先进超超临界锅炉用异种材料管材的焊接方法，其特征在于：在步骤c前，对来料状态为固溶态的Alloy617B固溶强化镍基合金和另一镍基合金管材进行焊接后，对另一镍基合金管材的全部及两个管材的焊接接头进行整体的730-800℃/4h/空冷、788℃/8h/空冷和760-816℃/4h/空冷的时效强化热处理。
10.如权利要求2至7的任意一项所述的一种先进超超临界锅炉用异种材料管材的焊接方法，其特征在于：
Alloy617B固溶强化镍基合金和GH984G镍铁基合金的焊接规范参数如表1所示；
表1：焊接规范参数
Alloy617B固溶强化镍基合金和HAYNES 282时效强化镍基合金的焊接规范参数如表2所示；
表2：焊接规范参数
Alloy617B固溶强化镍基合金和Inconel 740H时效强化镍基合金的焊接规范参数如表3所示；
表3：焊接规范参数
Alloy617B固溶强化镍基合金和SA-213T92马氏体耐热钢的焊接规范参数如表4所示：
表4：焊接规范参数
Alloy617B固溶强化镍基合金和UNS S31035新型奥氏体不锈钢的焊接规范参数如表5所示；
表5：焊接规范参数
UNS S31035新型奥氏体不锈钢和SA-213T92马氏体耐热钢的焊接规范参数如表6所示：
表6焊接规范参数
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