浅谈火电厂HR3C材质手工钨极氩弧焊焊接工艺

浅谈火电厂HR3C材质手工钨极氩弧焊焊接工艺

贾琳

华电湖北发电有限公司电力工程分公司 湖北 黄石

摘要：HR3C钢的室温组织是单一的奥氏体，通过氩弧焊施焊严格控制层间温度和焊接线能量以及根部打底充氩保护，完成合格焊接焊缝。本文简述火力发电企业 HR3C材质手工钨极氩弧焊焊接工艺。

关键词：    手工钨极氩弧焊   直流正接   HR3C材质   防氧化   火电厂焊接工艺  

引　言

手工钨极氩弧焊无固体残留，减少合金元素的烧损，以得到致密、无飞溅、质量高的焊接接头，因此湖北地区火力发电企业，炉内φ80mm以下管壁厚10mm以内薄管道几乎都是用全氩施焊。不论是停炉抢修还是停机检修或是机组小修、中修、大修炉内管道焊接都离不开它的身影。手工钨极极氩弧焊（TIG)是电力系统所推崇，因焊缝成形美观，无飞溅，机械性能好，所以电力检修应用非常广泛。

1、HR3C钢材特性

1.1、HR3C（SA-213TP310HCbN）超超临界锅炉的过(再)热器管  超超临界锅炉的过热器管的工作状况更加恶劣，要求具有更高的抗腐蚀性能的部位，一般选用SA-213TP310H不锈钢。SA-213TP310H不锈钢，高Cr, Ni含量，抗高温腐蚀性能良好，但是其高温蠕变强度不理想，其高温许用应力只等于或小于普通的SA-213TP304H不锈钢。而且普通SA-213TP310H钢还存在σ相析出后产生的脆性问题。为提高SA-213TP310H钢的高温性能，20世纪80年代日本住友公司在对SA-213TP304H研究中发现，在基体中析出的细小的NbCrN氮化物，对TP310H钢强化同样很有效。因此在TP310H不锈钢中添加N、Nb元素开发了HR3C钢。HR3C（25Cr-20Ni-Nb-N）钢与普通的SA-213TP310H钢化学成分区别仅在于添加了0.20～0.60%的Nb和0.15～0.35%的N，使新钢种的高温性能却大大提高。其蠕变断裂强度的提高主要是在钢时效过程中析出了NbCrN。NbCrN氮化物非常细小而且特别稳定，即使长时间时效，组织也很稳定，大大提高了蠕变断裂强度。同时加入微量的N对抑制σ相的形成，改善韧性有效。HR3C钢高温抗腐蚀性能(抗蒸汽氧化性能)良好，其许用应力比普通的SA-213TP310H钢有很大提高。

1.2、HR3C钢作为一种新型奥氏体耐热钢具有较高的蠕变强度,特别是良好的抗高温氧化腐蚀性能,因而广泛应用于超超临界机组的过热器和再热器上。HR3C钢的室温组织是单一的奥氏体基体，基体上分布有Cr23C6、 ( Cr , Fe ) 7C3 ，和 CrNbN 析出相；接头中焊缝是强度、硬度和韧性最低的部位，其中各部位的硬度与组织中析出相的数量、形态和分布有关,铁、镍和钴在元素周期表中处于同一周期和同族内属于过渡金属，它们的物理和化学性能，特别是结晶方面的性能。如高温时的晶格类型、原子半径、原子外层电子数目等都很接近，都能无限互溶。虽然在高温下可能形成金属化合物，但温度下降时即行分解。因此，可焊性较好。

2、氩弧焊的基本原理 

2.1、氩弧焊就是在电弧焊的周围通上氩弧保护性气体,将空气隔离在焊区之外，防止焊区的氧化。氩弧焊按照电极的不同分为熔化极氩弧焊和非熔化极氩弧焊两种，通常火力发电企业承压焊件施焊作业过程中手工焊接采用非熔化极氩弧焊，熔化极氩弧焊基本上未使用。

2.2、非熔化极氩弧焊的工作原理及特点：非熔化极氩弧焊是电弧在钨极和工件之间燃烧，在焊接电弧周围流过氩气（不和金属起化学反应的惰性气体），形成一个保护气罩，使钨极端头，电弧和熔池及已处于高温的金属不与空气接触，能防止氧化和吸收有害气体。从而形成致密的焊接接头，其力学性能非常好。氩气是一种比较理想的保护气体，比空气密度大25％，在平焊时有利于对焊接电弧进行保护，降低了保护气体的消耗。氩气也不溶于液态的金属，因而不会引起气孔。

3、母材、焊丝  

母材化学成分

焊丝化学成分

从钢材和焊材的化学成分表里面可以看出， YT -HR3C的化学成分和HR3C母材的化学成分大部分元素基本相似，但也有一些不同，如HR3C母材中不含 Cu 而焊材 YT -HR3C中含有2.99％的 Cu ，而且两种焊材中均加入了 Mo ( YT -HR3C含有0.91%）。

根据相关文献的介绍，有关化学成分的加入考虑了以下因素：

 Ni ：属于奥氏体稳定元素，能降低奥氏体化温度，对焊缝的回火温度有较大影响，并提高钢的韧性；

 Co ：适量的加入 Co 可有效替代 Ni 的作用而使焊缝金属获得稳定的室温冲击韧性，并可提高基螨变强度：

 Mo ：有利于形成碳化物，使焊缝具有高温稳定性，并提高焊缝的高温强度

 Cu ：属于微量元素，在 YT -HR3C中加了2.99%，其主要作用在于在奥氏体钢中形成强化相，提高抗腐蚀性能，但 Cu 容易与 S 发生化学反应，生成 CuS 或者 CuzS ，这两种化合物稳定存在，妨碍钝化膜的延续性和完整性，应控制 Cu 的含量。

4、焊接工艺及具体施焊操作和要点、事项

湖北华电江陵发电厂2×660MW超超临界燃煤机组，以#2炉高温再热器部分更换为例，管道材质HR3C

以Φ57×4.5mm的HR3C管道为例其焊接参数如下

4.1、HR3C管道具体施焊操作

4.1.1、打底层的焊接

氩气充满整个气室才可焊接，未被焊接面要封闭好

氩弧焊打底操作：首先在试件始焊端定位焊缝的正对面处引燃电弧，保持氩弧焊枪角度沿焊接方向90°-100°，氩弧焊丝以相反方向送丝，焊接电流80-110A左右。

4.1.1.1、打底外填丝法：焊丝需要弯出一定的弧度达到横焊的施焊位置，横焊引弧后压低电弧保证电弧稳定后预热左右坡口，待坡口发亮后电弧拉长至3mm左右，再上氩弧焊丝至上坡口根部，等焊丝熔化发亮后向下坡口引弧，送焊丝直到填满预留位置再向前前行。焊肉约厚2mm上下。可用点丝和连丝。

4.1.1.2、打底内填丝法：横焊的12点钟位置引弧后压低电弧保证电弧稳定后预热左右坡口，待坡口发亮后电弧停留坡口根部约1-2mm左右，再上氩弧焊丝从施焊处正上方伸至待焊坡口根部，等焊丝熔化发亮后向下坡口引弧，送焊丝直到填满预留位置再向前前行。焊肉约厚2mm上下。

注意：焊接前一定要用角磨机将点焊处起始点打磨。焊丝填充不足或焊接角度不正确会形成，未焊透、为熔合、内咬边等缺陷的产生。

FeⅢ类FeⅣ类越薄越不易焊接，横焊时上破口经常受损，“吃”不住温度，极易出现未焊透、未熔合、内部咬边、生丝、焊瘤等

熄弧时沿施焊方向送一滴钢水降温或是向施焊方向稍微快速行进一段再熄弧，避免冷缩孔的产生。

4.1.2、填充层的焊接

打底层完成后温度不要超过150℃要控制低于此温度

氩弧焊填充层，焊接电流90-100A，焊接前应彻底将打底层的熔渣用钢丝刷清除干净。焊接顺序左右两个半圈（焊丝贴上坡口边沿）。焊丝需要弯出一定的弧度达到横焊的3点钟位置起头。覆盖上层焊缝为基准，确保0.5-1mm的盖面余量。

并注意熔池形状和温度，控制好电弧在坡口两边的停留时间，防止产生焊偏、未熔合等缺陷，接头时，在弧坑1/2或2/3处引弧，送半滴钢水，速度要快停点到位，保证接头到位，避免产生超高、脱节、跳波等情况。

4.1.3、盖面层的焊接

填充层完成后控温在150℃以下，再开始盖面焊接前应彻底将填充层的熔渣用钢丝刷清除干净。焊接手法同上部（焊丝贴上坡口边沿），不一样的是将坡口面填满。焊接电流90-100A左右（选择自己可控电流），焊接时引弧后要压低电弧，待电弧稳定后再拉起3mm左右的电弧正常施焊，焊接电弧引钢水填满上下坡口直至焊接盖面层完成（此手法手一定要稳）。

注意熔池形状和温度，控制好电弧的停留时间，防止产生焊偏、咬边、未熔合等缺陷，接头时，在弧坑1/2或2/3处引弧，送半滴钢水，速度要快停点到位，保证接头到位，避免产生超高、脱节、跳波等情况。

4.2、HR3C管道具体施焊要点、事项

焊接电流80-110A左右，焊接速度70~100 mm / min 。

YT -HR3C焊丝熔池比较清晰，易于观察。焊材在焊接过程中焊道收弧处会形成一层薄膜，须采用机械方法对接头位置进行打磨，以确保焊道之间更好的熔合。

管内持续通氩气保护，既避免根部焊缝氧化，又可起到冷却作用。焊前不预热、焊后不进行固熔热处理，焊接过程中控制焊接层间温度，严格控制在150℃以下，焊缝控温可自然冷，可水冷；施焊过程中采用红外测温仪严格控制层间温度。

不锈钢焊缝表面色泽不应出现灰色和黑色。

4.2.1、焊接技术要点

a ．焊前加强管子和焊材的清理工作，除去水、铁锈、油污等，使用专用打磨工具进行打磨。

b ．通过点固间隙设置，采用大间隙内填丝法，保证焊缝根部的焊透

c ．增加焊前的反变形措施，控制焊接变形，使试件满足试验要求。

d ．焊丝头部如有粉状氧化物存在，再次焊接时应将头部剪去

e ．焊接接头焊接前进行打磨，层道不要有颗粒金属物存在。

4.2.2、焊接操作要点

 a ．管子根部充氩保护气室要足够大，长度最好控制在500cm以上。

 b ．保护气体为99.99%氩气，焊接时氩气流量5~15 L / min 。管子焊接时采用背部保护,背部保护气流量5~15L/ min 。

 c ．在打底封前一定要控制好层间温度（150℃以下）。最好的办法是在要封口前，待焊口的温度降到环境温度，打磨封口处接头两侧，重新对该焊口气室充氩气后再进行焊口封底。

 d ．若封口焊接时气室压力过大，将造成内压力大于外部大气压，封口处焊接熔池由于内外压力差而向外面凸出，导致焊缝内凹。封口焊接时要严格控制封口时间，避免此类缺陷的发生。

5. 焊缝检测

按上述焊接工艺施焊，#2高温再热器HR3C管道合计54个焊口，全部（RT）射线探伤，所有焊口无裂纹，有一个焊口，根部未焊透超标（施焊位置有障碍），一次合格率达到98.148%。

下图为管排位置及焊口编号

6. 结论

以上焊接实践证明奥氏体的HR3C钢，采用小规范焊接，小线能量输入；严格控制层间温度，正确的焊接手法，完全能够达到焊接质量要求，而且控温得当可以获得较优的金黄色焊缝，反之如果得到深色焊缝证明超温，就会产生贫铬，使不锈钢材质发生变化，焊缝性能极速降低。HR3C钢管子内部（根部）充氩焊接，是保证焊缝打底焊质量的关键。

参考文献

(1) 《火力发电厂焊接技术规程》，中国电力出版社，2022年3月出版

(2) 《焊工》(高级），中国劳动社会保障出版社，2013年出版

(3) 《焊工》(技师、高级技师），中国劳动社会保障出版社，2013年出版

(4) 《焊工使用技术手册》，江苏科学技术出版社﹐1999年1月出版 

(5) 《HR3C钢热处理工艺与稳定性研究》吴晓影，工程硕士学位论文，国内图书分类号：TG142.1国际图书分类号：620