压力容器异种钢焊接工艺无损检测方法

摘要：本文描述了异种钢焊接接头的概念及主要特点，分析了异种钢焊接接头不均匀性的原因。阐明了异种钢焊接过程中从焊材、焊接工艺到预热工艺、热处理工艺等的选择原则和注意事项并介绍了异种钢的无损检测方法。

关键词：异种钢；焊接；裂纹；无损检测

1异种钢焊接的概念及特点

TSG21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》里规定了异种钢焊接接头需要进行表面检测，然而在压力容器相关的规程和标准里并没有明确定义何为异种钢。根据国家质检总局的相关解释，异种钢焊接为不锈钢与碳钢或不锈钢与低合金钢的焊接。参考GB/T150-2011《压力容器》标准释义[1]，该部分参照了美国ASME规范的相关规定对异种钢焊接作出了解释，与《焊接手册》关于异种金属的概念重合度也很高。钢材的金相组织主要分为珠光体、马氏体、铁素体和奥氏体。从焊接角度讲，异种钢一般指两种不同类型金相组织钢材的组合；在相同类型金相组织的钢材中，也可能因其化学成分与性能有较大差异而组成异种钢；当同种钢材选用异质填充金属焊接时，也纳入异种钢焊接范围内。释义部分后段还引入了NB/T47014的概念，认为一般情况下：按NB/T47014表1《焊制承压设备用母材分类分组》，不同组别钢材的焊接可考虑为异种钢焊接，需要进行表面检测，但如果其中一种钢材的焊接工艺评定可以适用于另外一种的除外。异种钢焊接是不同的钢材通过焊接方法熔融在一起的过程。压力容器中最常见的异种钢焊接是奥氏体钢和非奥氏体钢的焊接，在压力容器常用材料范畴内，非奥氏体钢多为铁素体加珠光体。

1.1异种钢焊接接头的特点

异种钢焊接接头和同种钢焊接接头有本质差异，究其根本主要是组织结构不同造成的。如为不同组织结构的钢相焊，由于两种不同的钢，组织结构不同，奥氏体钢为碳溶于铁中的固溶体，铁为面心立方晶格，如图1，为最紧密堆积的晶格形式，不具有铁磁性。普通低碳钢和低合金钢通常为珠光体加铁素体组织，铁素体为碳溶于铁或铁的固溶体，铁或铁为体心立方晶格结构，如图2，具有铁磁性。晶格形式的不同，导致比容、相变应力、热膨胀系数等一系列物理性质都不相同。异种钢的不均匀性主要是熔敷金属与两侧焊接热影响区和母材存在的不均匀性，主要表现在：（1）化学成分的不均匀性。这是因为在焊接加热过程中，两侧母材的熔化量，熔敷金属和母材熔化区的成分因“稀释”作用和“碳迁移”会发生变化。接头区的成分不均匀程度不仅取决于母材、填充金属各自的原始成分，也受焊接工艺的影响。有学者[2]根据实验数据得出结论：焊态接头在不同的温度和时间下加热，其熔合线两侧碳迁移的倾向是明显的，并且随着温度的提高和时间的延长，碳迁移现象加剧，这种碳迁移会导致原始化学成分的改变。（2）组织的不均匀性。在焊接热循环的影响下，即使是同种钢之间焊接，焊接接头内的各区域组织是不同的，在异种钢焊接接头中这个现象表现得更为明显，而且在个别区域内还会出现复杂的组织结构。这种组织的不均匀性也导致了氢分布的不均匀，在异种钢焊接接头中主要表现为焊缝和热影响区的氢脆及熔合区的“氢致剥离”[3]。这也成为了异种钢焊接接头在高温临氢服役状态下氢致断裂尤其是氢致剥离的最大失效原因。（3）性能的不均匀性。由于组织、成分的变化，带来了性能上的不同。异种钢本身性能的差异叠加焊接接头不同区域的影响，各种变化会呈倍数关系变化，特别是焊缝两侧的热影响区冲击值变化更大，同样高温性能如持久强度、蠕变强度变化也很大。（4）应力场分布的不均匀性。由于组织、成分的不同，异种钢焊接接头的热膨胀系数和导热系数也不同，热膨胀系数不同引起塑性区域不同，残余应力不同；导热系数不同会引起热应力不同。在组织应力和热应力的共同作用下发生叠加后会产生应力峰值，导致接头发生断裂。总之，对于异种钢焊接接头，其成分、组织、性能和应力场的不均匀是主要特点。

1.2异种钢焊接中需注意的事项

（1）异种钢焊接时，金相组织接近时，焊接材料的选择应要求焊缝金属的力学性能如耐热性耐腐蚀性等不低于母材中性能要求较低一侧的指标，即等强匹配原则。例如不同强度的珠光体钢材相焊，应保证焊接金属抗拉强度高于或等于强度较低一侧母材抗拉强度下限值，且不超过强度较高一侧母材标准规定抗拉强度的上限值。当金相组织差别较大时，则应充分考虑填充金属稀释后，焊接接头性能仍能得到有效保障的前提下，既要考虑等强匹配，同时更要兼顾考虑其他工艺性能如耐蚀性、耐高温性能及裂纹发生概率等。如珠光体钢与马氏体钢焊接时，尽可能防止焊接接头产生脆化和冷裂纹；珠光体钢与铁素体钢相焊时，则需防止焊接接头过热粗化、脆化和裂纹；珠光体钢与奥氏体钢相焊时，则需防止焊缝金属的稀释、碳迁移形成的扩散层及组织不同产生焊缝金属的剥离；Cr-Mo珠光体钢、马氏体钢与铁素体钢同种钢相焊均有较高的冷裂纹敏感性；珠光体钢与马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢异种钢相焊，也有较高的冷裂纹倾向，应加强无损检验[1]。（2）焊接接头的性能可以通过调整焊接方法、焊接工艺及参数、坡口形式、焊条种类等方法加以改善。选择坡口除考虑厚度因素外，宜尽量采用适当角度偏大的坡口，减小熔合比，尽量减少焊缝金属的化学成分和性能的波动，以保证熔敷金属性能满足要求。尽量采用多层多道焊，为减小熔深，采用小电流快速焊[4，5]，层间温度也是需根据不同钢种进行控制的重点。（3）为降低异种钢的淬火裂纹倾向，若异种钢两侧钢材之一为淬硬钢，则必须预热，预热温度按淬硬倾向高的钢选择。若使用奥氏体焊条焊接，可适当降低温度或不预热，以免长期处于敏化温度，导致贫铬现象，从而发生晶间腐蚀。（4）合理的焊后热处理非常重要，可以消除残余应力，使钢中的氢逸出，从而改善焊接接头的组织和性能。对于铁素体及马氏体（F/M）的异种钢接头处理时，最高温度不能超过铁素体钢侧的上限，同时应当保证强度。（5）奥氏体钢与马氏体或铁素体钢（A/M（F））作为异种钢焊接时，可在非奥氏体钢侧坡口预先堆焊一层高Cr（Ni）的金属，然后再用奥氏体钢焊条焊接，非奥氏体侧堆焊时是否预热应视具体钢种确定。

2异种钢焊接接头的无损检测

如果异种钢焊接接头两侧为金相组织结构相近的两种金属，则无损检测方式与同种钢焊接接头的常规检测差别不大。但如果焊接接头两侧异种钢的金相组织结构相差特别远，比如最常见的奥氏体不锈钢和低碳钢低合金钢的异种钢组合，一方面，由于组织差异大易产生裂纹等缺陷，另一方面，组织结构较大的差异也导致了无损检测方式的选择的局限性。

2.1射线检测

对于异种钢的埋藏性缺陷，优先考虑射线检测，射线检测不受金属金相组织和材料晶粒度的影响，但裂纹检出率受到透照角度的影响。有学者[6]研究发现，对于异种钢的角，裂纹通常是沿坡口发展的，因此射线检测时，应将射线检测工艺进行改进，沿着熔合区进行两次相距180°的检测工艺，即沿着缺陷可能发展的方向进行探伤，同时为了使几何清晰度达到最小，使最有可能出现裂纹的珠光体坡口侧在底片侧。由此可见，对于熔合区裂纹的检测应结合设备的形状及坡口形式，合理地选择射线探伤工艺。

2.2超声检测

由于结构、厚度等原因，某些异种钢焊接接头的埋藏缺陷不便于采用射线检测，此时会考虑超声检测。异种钢进行超声检测时，首先考虑的是焊缝组织，例如奥氏体不锈钢和低合金钢相焊，通常采用不锈钢焊条作为填充金属，此时焊缝组织更接近奥氏体，此时按照奥氏体材料制定超声工艺。并应根据实际工件情况制作异种钢模拟试块。

2.3渗透检测

对于包含奥氏体的异种钢，由于磁力线的不连续，无法进行磁粉检测。对于表面的开口缺陷可以采用渗透检测。注意控制渗透剂中的硫、氯、氟等有害离子的含量，避免残留导致晶间腐蚀。

2.4金属磁记忆检测

有学者[7]研究发现在对异种钢焊接接头的金属磁记忆检测技术原理，仪器及参数介绍的基础上，通过测量受热面管异种钢接头的磁场分布，定性研究了磁记忆信号与异种钢接头应力，淬硬组织的对应关系。结果表明金属磁记忆方法与硬度的测试结果对应良好。该方法不需经过复杂的励磁过程，操作简单，便于实时检测与缺陷早期预防。

3结论

（1）异种钢焊接接头与同种钢焊接接头本质区别在于熔敷金属与两侧焊接热影响区和母材存在的不均匀性，化学成分、组织的不均匀导致了性能及应力场分布的不均匀。（2）异种钢焊接时焊材的选用、焊接工艺的制定以及预热、热处理等工艺参数的选择均需要依据压力容器的结构、材质、设计及使用参数进行谨慎选择，以确保焊接接头的工艺及使用性能，降低裂纹发生概率。（3）可使用射线检测、超声检测、渗透检测等常规检测对异种钢焊接接头进行无损探伤，亦出现了新的检测技术如金属磁记忆检测。

参考文献

[1]GB/T150-2011《压力容器》标准释义.

[2]杨厚君，章应霖，曹晟，吕文广，异种钢焊接接头碳迁移试验现象的分析[J].焊接学报，2001.4（2）.

[3]潘春旭，异种钢焊接性的研究和进展[M].2005能源工程焊接国际论坛论文集（185-194）.

[4]姚小静，韩伟，韩明，李俊婷，岳明，压力容器制造过程中异种钢焊接工艺及无损检测方法研究[J].石油技术工业监督，2019，5，35（5）.

[5]赵雷，乔汉文，梁军，钟群鹏，徐连勇，肖德铭，焊接参数对T92/S30432异种钢焊接接头室温力学性能的影响[J].机械工程材料，2015，1，39（1）.

[6]周江，再热器夹紧管异种钢焊口爆泄原因分析及其无损检测[J].无损检测，2003，25（6）：323--325.

[7]莫乾凯，杜好阳，张春雷，异种钢焊接接头的金属磁记忆检测技术[J].吉林电力，2003，2（4-6）

作者：胡洁靓 李斌