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摘要：本文描述了異種鋼焊接接頭的概念及主要特點(diǎn)，分析了異種鋼焊接接頭不均勻性的原因。闡明了異種鋼焊接過程中從焊材、焊接工藝到預(yù)熱工藝、熱處理工藝等的選擇原則和注意事項(xiàng)并介紹了異種鋼的無(wú)損檢測(cè)方法。

關(guān)鍵詞：異種鋼；焊接；裂紋；無(wú)損檢測(cè)

1異種鋼焊接的概念及特點(diǎn)

TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》里規(guī)定了異種鋼焊接接頭需要進(jìn)行表面檢測(cè)，然而在壓力容器相關(guān)的規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)里并沒有明確定義何為異種鋼。根據(jù)國(guó)家質(zhì)檢總局的相關(guān)解釋，異種鋼焊接為不銹鋼與碳鋼或不銹鋼與低合金鋼的焊接。參考GB/T150-2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)釋義[1]，該部分參照了美國(guó)ASME規(guī)范的相關(guān)規(guī)定對(duì)異種鋼焊接作出了解釋，與《焊接手冊(cè)》關(guān)于異種金屬的概念重合度也很高。鋼材的金相組織主要分為珠光體、馬氏體、鐵素體和奧氏體。從焊接角度講，異種鋼一般指兩種不同類型金相組織鋼材的組合；在相同類型金相組織的鋼材中，也可能因其化學(xué)成分與性能有較大差異而組成異種鋼；當(dāng)同種鋼材選用異質(zhì)填充金屬焊接時(shí)，也納入異種鋼焊接范圍內(nèi)。釋義部分后段還引入了NB/T47014的概念，認(rèn)為一般情況下：按NB/T47014表1《焊制承壓設(shè)備用母材分類分組》，不同組別鋼材的焊接可考慮為異種鋼焊接，需要進(jìn)行表面檢測(cè)，但如果其中一種鋼材的焊接工藝評(píng)定可以適用于另外一種的除外。異種鋼焊接是不同的鋼材通過焊接方法熔融在一起的過程。壓力容器中最常見的異種鋼焊接是奧氏體鋼和非奧氏體鋼的焊接，在壓力容器常用材料范疇內(nèi)，非奧氏體鋼多為鐵素體加珠光體。

1.1異種鋼焊接接頭的特點(diǎn)

異種鋼焊接接頭和同種鋼焊接接頭有本質(zhì)差異，究其根本主要是組織結(jié)構(gòu)不同造成的。如為不同組織結(jié)構(gòu)的鋼相焊，由于兩種不同的鋼，組織結(jié)構(gòu)不同，奧氏體鋼為碳溶于鐵中的固溶體，鐵為面心立方晶格，如圖1，為最緊密堆積的晶格形式，不具有鐵磁性。普通低碳鋼和低合金鋼通常為珠光體加鐵素體組織，鐵素體為碳溶于鐵或鐵的固溶體，鐵或鐵為體心立方晶格結(jié)構(gòu)，如圖2，具有鐵磁性。晶格形式的不同，導(dǎo)致比容、相變應(yīng)力、熱膨脹系數(shù)等一系列物理性質(zhì)都不相同。異種鋼的不均勻性主要是熔敷金屬與兩側(cè)焊接熱影響區(qū)和母材存在的不均勻性，主要表現(xiàn)在：（1）化學(xué)成分的不均勻性。這是因?yàn)樵诤附蛹訜徇^程中，兩側(cè)母材的熔化量，熔敷金屬和母材熔化區(qū)的成分因“稀釋”作用和“碳遷移”會(huì)發(fā)生變化。接頭區(qū)的成分不均勻程度不僅取決于母材、填充金屬各自的原始成分，也受焊接工藝的影響。有學(xué)者[2]根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論：焊態(tài)接頭在不同的溫度和時(shí)間下加熱，其熔合線兩側(cè)碳遷移的傾向是明顯的，并且隨著溫度的提高和時(shí)間的延長(zhǎng)，碳遷移現(xiàn)象加劇，這種碳遷移會(huì)導(dǎo)致原始化學(xué)成分的改變。（2）組織的不均勻性。在焊接熱循環(huán)的影響下，即使是同種鋼之間焊接，焊接接頭內(nèi)的各區(qū)域組織是不同的，在異種鋼焊接接頭中這個(gè)現(xiàn)象表現(xiàn)得更為明顯，而且在個(gè)別區(qū)域內(nèi)還會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)。這種組織的不均勻性也導(dǎo)致了氫分布的不均勻，在異種鋼焊接接頭中主要表現(xiàn)為焊縫和熱影響區(qū)的氫脆及熔合區(qū)的“氫致剝離”[3]。這也成為了異種鋼焊接接頭在高溫臨氫服役狀態(tài)下氫致斷裂尤其是氫致剝離的最大失效原因。（3）性能的不均勻性。由于組織、成分的變化，帶來(lái)了性能上的不同。異種鋼本身性能的差異疊加焊接接頭不同區(qū)域的影響，各種變化會(huì)呈倍數(shù)關(guān)系變化，特別是焊縫兩側(cè)的熱影響區(qū)沖擊值變化更大，同樣高溫性能如持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度變化也很大。（4）應(yīng)力場(chǎng)分布的不均勻性。由于組織、成分的不同，異種鋼焊接接頭的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)也不同，熱膨脹系數(shù)不同引起塑性區(qū)域不同，殘余應(yīng)力不同；導(dǎo)熱系數(shù)不同會(huì)引起熱應(yīng)力不同。在組織應(yīng)力和熱應(yīng)力的共同作用下發(fā)生疊加后會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力峰值，導(dǎo)致接頭發(fā)生斷裂。總之，對(duì)于異種鋼焊接接頭，其成分、組織、性能和應(yīng)力場(chǎng)的不均勻是主要特點(diǎn)。

1.2異種鋼焊接中需注意的事項(xiàng)

（1）異種鋼焊接時(shí)，金相組織接近時(shí)，焊接材料的選擇應(yīng)要求焊縫金屬的力學(xué)性能如耐熱性耐腐蝕性等不低于母材中性能要求較低一側(cè)的指標(biāo)，即等強(qiáng)匹配原則。例如不同強(qiáng)度的珠光體鋼材相焊，應(yīng)保證焊接金屬抗拉強(qiáng)度高于或等于強(qiáng)度較低一側(cè)母材抗拉強(qiáng)度下限值，且不超過強(qiáng)度較高一側(cè)母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定抗拉強(qiáng)度的上限值。當(dāng)金相組織差別較大時(shí)，則應(yīng)充分考慮填充金屬稀釋后，焊接接頭性能仍能得到有效保障的前提下，既要考慮等強(qiáng)匹配，同時(shí)更要兼顧考慮其他工藝性能如耐蝕性、耐高溫性能及裂紋發(fā)生概率等。如珠光體鋼與馬氏體鋼焊接時(shí)，盡可能防止焊接接頭產(chǎn)生脆化和冷裂紋；珠光體鋼與鐵素體鋼相焊時(shí)，則需防止焊接接頭過熱粗化、脆化和裂紋；珠光體鋼與奧氏體鋼相焊時(shí)，則需防止焊縫金屬的稀釋、碳遷移形成的擴(kuò)散層及組織不同產(chǎn)生焊縫金屬的剝離；Cr-Mo珠光體鋼、馬氏體鋼與鐵素體鋼同種鋼相焊均有較高的冷裂紋敏感性；珠光體鋼與馬氏體鋼、鐵素體鋼、奧氏體鋼異種鋼相焊，也有較高的冷裂紋傾向，應(yīng)加強(qiáng)無(wú)損檢驗(yàn)[1]。（2）焊接接頭的性能可以通過調(diào)整焊接方法、焊接工藝及參數(shù)、坡口形式、焊條種類等方法加以改善。選擇坡口除考慮厚度因素外，宜盡量采用適當(dāng)角度偏大的坡口，減小熔合比，盡量減少焊縫金屬的化學(xué)成分和性能的波動(dòng)，以保證熔敷金屬性能滿足要求。盡量采用多層多道焊，為減小熔深，采用小電流快速焊[4，5]，層間溫度也是需根據(jù)不同鋼種進(jìn)行控制的重點(diǎn)。（3）為降低異種鋼的淬火裂紋傾向，若異種鋼兩側(cè)鋼材之一為淬硬鋼，則必須預(yù)熱，預(yù)熱溫度按淬硬傾向高的鋼選擇。若使用奧氏體焊條焊接，可適當(dāng)降低溫度或不預(yù)熱，以免長(zhǎng)期處于敏化溫度，導(dǎo)致貧鉻現(xiàn)象，從而發(fā)生晶間腐蝕。（4）合理的焊后熱處理非常重要，可以消除殘余應(yīng)力，使鋼中的氫逸出，從而改善焊接接頭的組織和性能。對(duì)于鐵素體及馬氏體（F/M）的異種鋼接頭處理時(shí)，最高溫度不能超過鐵素體鋼側(cè)的上限，同時(shí)應(yīng)當(dāng)保證強(qiáng)度。（5）奧氏體鋼與馬氏體或鐵素體鋼（A/M（F））作為異種鋼焊接時(shí)，可在非奧氏體鋼側(cè)坡口預(yù)先堆焊一層高Cr（Ni）的金屬，然后再用奧氏體鋼焊條焊接，非奧氏體側(cè)堆焊時(shí)是否預(yù)熱應(yīng)視具體鋼種確定。

2異種鋼焊接接頭的無(wú)損檢測(cè)

如果異種鋼焊接接頭兩側(cè)為金相組織結(jié)構(gòu)相近的兩種金屬，則無(wú)損檢測(cè)方式與同種鋼焊接接頭的常規(guī)檢測(cè)差別不大。但如果焊接接頭兩側(cè)異種鋼的金相組織結(jié)構(gòu)相差特別遠(yuǎn)，比如最常見的奧氏體不銹鋼和低碳鋼低合金鋼的異種鋼組合，一方面，由于組織差異大易產(chǎn)生裂紋等缺陷，另一方面，組織結(jié)構(gòu)較大的差異也導(dǎo)致了無(wú)損檢測(cè)方式的選擇的局限性。

2.1射線檢測(cè)

對(duì)于異種鋼的埋藏性缺陷，優(yōu)先考慮射線檢測(cè)，射線檢測(cè)不受金屬金相組織和材料晶粒度的影響，但裂紋檢出率受到透照角度的影響。有學(xué)者[6]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于異種鋼的角，裂紋通常是沿坡口發(fā)展的，因此射線檢測(cè)時(shí)，應(yīng)將射線檢測(cè)工藝進(jìn)行改進(jìn)，沿著熔合區(qū)進(jìn)行兩次相距180°的檢測(cè)工藝，即沿著缺陷可能發(fā)展的方向進(jìn)行探傷，同時(shí)為了使幾何清晰度達(dá)到最小，使最有可能出現(xiàn)裂紋的珠光體坡口側(cè)在底片側(cè)。由此可見，對(duì)于熔合區(qū)裂紋的檢測(cè)應(yīng)結(jié)合設(shè)備的形狀及坡口形式，合理地選擇射線探傷工藝。

2.2超聲檢測(cè)

由于結(jié)構(gòu)、厚度等原因，某些異種鋼焊接接頭的埋藏缺陷不便于采用射線檢測(cè)，此時(shí)會(huì)考慮超聲檢測(cè)。異種鋼進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，首先考慮的是焊縫組織，例如奧氏體不銹鋼和低合金鋼相焊，通常采用不銹鋼焊條作為填充金屬，此時(shí)焊縫組織更接近奧氏體，此時(shí)按照奧氏體材料制定超聲工藝。并應(yīng)根據(jù)實(shí)際工件情況制作異種鋼模擬試塊。

2.3滲透檢測(cè)

對(duì)于包含奧氏體的異種鋼，由于磁力線的不連續(xù)，無(wú)法進(jìn)行磁粉檢測(cè)。對(duì)于表面的開口缺陷可以采用滲透檢測(cè)。注意控制滲透劑中的硫、氯、氟等有害離子的含量，避免殘留導(dǎo)致晶間腐蝕。

2.4金屬磁記憶檢測(cè)

有學(xué)者[7]研究發(fā)現(xiàn)在對(duì)異種鋼焊接接頭的金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)原理，儀器及參數(shù)介紹的基礎(chǔ)上，通過測(cè)量受熱面管異種鋼接頭的磁場(chǎng)分布，定性研究了磁記憶信號(hào)與異種鋼接頭應(yīng)力，淬硬組織的對(duì)應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明金屬磁記憶方法與硬度的測(cè)試結(jié)果對(duì)應(yīng)良好。該方法不需經(jīng)過復(fù)雜的勵(lì)磁過程，操作簡(jiǎn)單，便于實(shí)時(shí)檢測(cè)與缺陷早期預(yù)防。

3結(jié)論

（1）異種鋼焊接接頭與同種鋼焊接接頭本質(zhì)區(qū)別在于熔敷金屬與兩側(cè)焊接熱影響區(qū)和母材存在的不均勻性，化學(xué)成分、組織的不均勻?qū)е铝诵阅芗皯?yīng)力場(chǎng)分布的不均勻。（2）異種鋼焊接時(shí)焊材的選用、焊接工藝的制定以及預(yù)熱、熱處理等工藝參數(shù)的選擇均需要依據(jù)壓力容器的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、設(shè)計(jì)及使用參數(shù)進(jìn)行謹(jǐn)慎選擇，以確保焊接接頭的工藝及使用性能，降低裂紋發(fā)生概率。（3）可使用射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)、滲透檢測(cè)等常規(guī)檢測(cè)對(duì)異種鋼焊接接頭進(jìn)行無(wú)損探傷，亦出現(xiàn)了新的檢測(cè)技術(shù)如金屬磁記憶檢測(cè)。

參考文獻(xiàn)

[1]GB/T150-2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)釋義.

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[4]姚小靜，韓偉，韓明，李俊婷，岳明，壓力容器制造過程中異種鋼焊接工藝及無(wú)損檢測(cè)方法研究[J].石油技術(shù)工業(yè)監(jiān)督，2019，5，35（5）.

[5]趙雷，喬漢文，梁軍，鐘群鵬，徐連勇，肖德銘，焊接參數(shù)對(duì)T92/S30432異種鋼焊接接頭室溫力學(xué)性能的影響[J].機(jī)械工程材料，2015，1，39（1）.

[6]周江，再熱器夾緊管異種鋼焊口爆泄原因分析及其無(wú)損檢測(cè)[J].無(wú)損檢測(cè)，2003，25（6）：323--325.

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作者：胡潔靚 李斌