王丰超 江布拉提·山斯孜拜
新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院 新疆 830000
摘要：随着经济社会的发展，人们对各类工程结构构件的要求也在不断地提升，相关的工作人员不断提升业务能力的同时也在优化技术，使得人们满足人们对金属的耐磨性，应高温持续性等要求。鉴于种种原因，单一的金属材料已经不能满足工程生产的需要，但是异种金属的焊接方法却得到了人们的广泛认可。金属焊接可能将各种组成材料的优异性能得到充分的展现，以此同时，也可以降低相关的生产成本，从而最大限度的提高企业的经济效益。
关键词：异种金属；焊接接头；缺陷
引言
锅炉受热面管屏缺陷类型多种多样，其中异种金属焊接接头开裂泄漏是受热面管屏泄漏的一种常见原因。异种金属焊接接头出现缺陷较多的是铁素体钢与奥氏体钢的焊接接头，此类焊接接头多采用镍基焊丝。其成分与焊接接头两侧的母材差异较大，尤其铁素体一侧的熔合线两侧会形成一种异质界面。该异质界面两侧由于相成分的差异，其结合力较弱；两侧材料的热膨胀系数不同，机组热负荷变化时会产生较大的热应力；两侧材料化学电位存在差异，在腐蚀性环境中易产生电化学腐蚀。此外焊后若需要热处理，会促进C元素的迁移，形成增碳层，造成组织的不均。还有可能造成铁素体侧的组织出现过回火。总之，异种金属焊接接头因为成分、焊接工艺的特殊，引起缺陷的原因众多。本文将结合实例，分析几种常见的异种金属焊接接头缺陷原因。
1.T91钢侧HAZ细晶区开裂
1.1缺陷部件整体形貌
异种金属焊接接头若一侧管材为T91钢，则T91钢侧HAZ细晶区常为焊接接头的薄弱环节，常出现开裂缺陷。某机组高温过热器存在异种金属焊接接头，接头两侧的母材分别为TP347钢和T91钢。在投运后约3．6万h在T91钢侧出现环向裂纹。裂纹约一半圆周长，距离T91钢侧熔合线2～3mm。
1.2金相分析在焊接接头处取样做金相分析，可以发现裂纹贯穿整个壁厚，从外壁向内壁扩展，浸蚀后发现裂纹位于细晶区与不完全重结晶区交界处；细晶区有少量蠕变孔洞及裂纹，裂纹两侧则有大量蠕变孔洞及裂纹，组织均为回火索氏体，马氏体位向不可见；远离裂纹的母材组织为回火马氏体。
1.3硬度分析在金相试样上进行显微硬度测试，T91钢侧过热
区粗晶区HV0．2300～HV0．2320，裂纹附近的细晶区硬度HV0．2170～HV0．2190，母材硬度为HV0．2210～HV0．2220，相比于通常的T91钢热影响区硬度，其细晶区硬度明显偏低，且低于母材的。
1.4缺陷原因分析从裂纹位置及裂纹处的显微组织判断，该裂纹属于典型的Ⅳ型裂纹。产生Ⅳ型裂纹需具备组织和应力2个条件。在组织方面，由于细晶区处于焊接热循环的Ac1～Ac3温度区间，焊接冷却后形成的马氏体组织并不稳定，在焊后热处理时（根据组织硬度判断该接头T91钢侧进行了焊后热处理），这种马氏体容易分解，形成铁素体＋碳化物组织，高温运行时该组织蠕变强度低，在一定应力下容易出现蠕变孔洞及裂纹。
2.铁素体侧熔合线开裂
2.1断口分析除了T91钢侧HAZ细晶区裂纹，绝大多数的异种金属接头均在铁素体钢侧熔合线出现开裂，断裂面完全沿熔合线扩展。如图1所示。
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2.2缺陷原因分析
（1）焊接质量
异种金属接头焊丝材料一般为镍基焊材，其成分与T91，12Cr1MoV等铁素体钢的差别很大，晶格结构也不同，因此其组织性能差别也较大，在受到外部应力时协调变形能力较差，必然会产生较大内应力。此外，焊接过程可能会引起第一类碳迁移，使焊缝侧出现高硬层（增碳和马氏体过渡层），带来新的组织性能的不均匀性。焊后热处理能够降低硬度梯度，降低应力集中，但对于9Cr钢来说，会增加Ⅳ型裂纹的风险；此外，经过焊后热处理的一些异种金属接头也频频出现断裂。异种金属接头断裂案例中发现了较多的碳迁移现象，但很大一部分断裂案例中并未发现明显增碳现象。因此不进行焊后热处理和碳扩散并不是异种金属接头断裂的主要原因。
（2）运行环境有案例表明，内壁或外壁熔合线处的氧化可能是异种金属接头断裂的原因之一。由于焊缝和铁素体侧母材的成分差异，其抗高温氧化性和蒸汽侧氧化性能也存在巨大差别，当环境温度较高时，会在熔合线铁素体侧选择性氧化，形成缺口，在应力、疲劳的交互作用下逐渐开裂，缺陷案例中大多断口都存在氧化膜证明了这一点。此外，较高的环境温度会加速熔合线附近材料的氧化和老化蠕变，因此高温烟气侧异种金属接头出现问题的概率较高，一般建议将炉内高温管屏的异种金属接头设置在顶棚上方。
（3）应力状态疲劳条件下，异种金属接头更倾向于在熔合线处断裂。有的锅炉高温管屏结构特殊，异种金属接头受力复杂，大部分断裂的接头受到了由于管子自重或其他原因（集箱位移、管子膨胀等）导致的弯曲载荷。但仅仅受到管系结构带来的弯曲载荷还不足以导致异种金属接头的频繁断裂，运行时管子的振动引起的疲劳应力才是接头断裂的主要原因，振幅越大，接头处应力越大，频率越高，使用寿命越短。由于管夹、悬吊等固定限位装置的脱焊、缺陷，不仅会引起外载增加，更会引起运行时剧烈的振动。
结论
（1）异种金属焊接接头容易在T91钢侧的热影响细晶区出现裂纹，该区域在焊后热处理后，高温蠕变强度降低，受外力后容易开裂。
（2）常见的异种金属接头缺陷主要为沿铁素体侧熔合线开裂，焊接质量、运行环境、应力状态的异常均有可能导致或加速异种金属接头的开裂。
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