在我国电力的电源结构中，火力发电的比例达 70%以上。火电站的安全稳定运行是持续可靠供电 的重要保证。近年来，为了适应节能和环保的要 求，火电机组开始向大容量、高参数方向发展。超 临界和超超临界机组的不断投运，对材料性能的要 求也越来越高，传统的碳钢、普通低合金钢及低合 金耐热钢等材料已经不能完全满足超超临界机组 的工况要求。新型不锈钢HR3C作为制作超超临界 机组高温受热面管的材料，其应用将会越来越广 泛。因此，从焊接材料、焊接工艺及焊接缺陷等方 面对新型不锈钢HR3C性能进行研究，对于推广该 材料在超超临界机组上的应用具有重要意义。

HR3C钢是在传统的TP310钢基础上添加Nb、N 进行强化，并经过真空感应熔炼、锻造、冷轧及在 1200 ℃保温30 min 的固熔处理的热强钢^[1]。由于 HR3C钢在比较恶劣的烟气、蒸汽环境下具有优异 的性能，因此已成为超超临界机组锅炉受热面管道 的首选材料^[2]。

在HR3C钢的冶炼过程中，其各化学元素的质 量分数必须严格控制（见表 1 所示）。为了保证 HR3C钢的可焊性，并能够成功对其实施焊接，C、S、 P元素的质量分数须被限制在许可范围内。Si、Mn 元素可促进σ相析出，因此，为了能够对σ相析出进 行有效控制，Si、Mn元素质量分数不能高于标准值 的上限。与Si、Mn元素的作用不同，Ni、N元素可抑 制σ相析出，若其质量分数低于标准值，将使钢的冲 击韧度变差；但也并非越高越好，当Ni、N的质量分 数过高时，Cr₂N和π相等氮化物也会析出，并降低钢 的韧性。对该种钢进行时效试验，结果表明，固溶 状态的HR3C钢在时效过程中沿晶界和晶粒内有不 同物质析出。其中，沿晶界析出的主要是金属碳化 物M₂₃C₆，在晶粒内析出的除了金属碳化物外还有 NbCrN。NbCrN的生长速度较慢，是一种较稳定的 析出物，可提高钢的强度。

表 1(Table 1)

表 1 HR3C钢各化学成分质量分数控制范围[3]

表 1 HR3C钢各化学成分质量分数控制范围[3]

经过强化的新型HR3C钢相对其他奥氏体不锈 钢具有更好的高温性能，但是单一的奥氏体组织使 该种钢在实际焊接过程中仍会出现焊接裂纹、接头 腐蚀和时效脆化等缺陷。为了获得合格的焊接接 头，正确的焊接工艺评定是必要的。

焊接工艺评定是为验证所拟定焊接工艺的正 确性而进行的试验过程及结果评价，是指导新型钢 种焊工培训和工程焊接施工的必要技术手段，相关 试验按照《DL/T 868—2004 焊接工艺评定规程》^[4]的 相关要求进行。

选择标准的SA213-HR3C钢管，外径42 mm、壁 厚6 mm。对HR3C钢管进行标准试件加工，长度为 100 mm。加工后严格按照DL/T 868—2004的有关 规定进行组装。对组装后的试件依据相关工艺参 数进行焊接，并对焊后的试件进行检测及评价。

根据焊缝和母材成分和强度相匹配的原则， HR3C钢的焊接材料选用ERNiCr3，直径2.4 mm^[5]。

在对HR3C钢进行焊接时需要克服3个主要问 题：焊接裂纹、应力腐蚀开裂和σ相脆化。与其他类 型钢种相比，HR3C钢的韧性较好，焊接过程中几乎 不产生冷裂纹，也很少有再热裂纹，但容易产生高 温裂纹；应力腐蚀开裂与焊接环境、运行工况有直 接关系，通过选择焊接方法和焊接工艺来改善焊接 质量，效果不明显；而改善σ相脆化的重点是选择合 适的焊接材料。因此，焊接方法和焊接工艺的选择 主要是从防止焊接热裂纹产生的角度出发的，即采 用较低的焊接热输入，将层间温度控制在较低水 平。比较而言，手工钨极氩弧焊（GTAW）具有较低 的焊接热输入，可以将层间温度控制在较低水平， 再配合以短道焊、间断焊，能够满足HR3C钢的焊接 工艺要求。因此，本次工艺评定采用全氩弧的焊接 方式，通过水冷的方法降低层间温度。经过大量的 对比试验，获得焊接工艺参数见表 2。

表 2(Table 2)

表 2 HR3C钢的焊接工艺参数

表 2 HR3C钢的焊接工艺参数

对试样进行外观、射线、抗拉强度（见图 1）、弯 曲（见图 2）和金相组织检验（见图 3），试验结果均符 合DL/T 868—2004的相关要求，证明拟定的HR3C 钢焊接工艺评定是合理的，可作为HR3C钢实际应 用的焊接工艺。

图 1(Figure 1)

图 1 经过拉伸试验后的试样

图 2(Figure 2)

图 2 经过弯曲试验后的试样

图 3(Figure 3)

图 3 焊缝及热影响区处的组织

在现场施工过程中，常常为了赶工期、抢进度 而出现焊接热输入过大、层间温度超过100 ℃及焊 缝背部未充氩等非规范焊接现象，使焊接接头产生 缺陷，影响焊接接头质量。

根据焊接热输入正比于焊接电流、反比于焊接 速度的规律，说明焊接热输入过大是由于焊接电流 过大或焊接速度过小造成的。焊接速度保持不变 时，焊接电流过大导致的焊接热输入过大，易使焊缝根部产生焊瘤缺陷（见图 4）；当焊接电流保持不 变、焊接速度过慢时，也容易在焊缝根部产生焊瘤， 同时在焊口的仰焊位置还易造成“塌腰”缺陷。

图 4(Figure 4)

图 4 焊接电流过大造成的焊缝根部缺陷

在HR3C钢焊接过程中，层间温度过高，将造成 熔敷金属的流动性降低，焊接操作困难，焊缝变厚， 其结果容易导致焊缝产生气孔（见图 5）和层间未熔 缺陷（见图 6），进而影响焊缝的力学性能，所以焊接 HR3C钢时必须严格控制层间温度不高于100 ℃。

图 5(Figure 5)

图 5 层间温度超过100 ℃造成的气孔缺陷

图 6(Figure 6)

图 6 层间温度超过100 ℃造成的层间未熔缺陷

在HR3C钢焊接过程中，高温下的合金元素极 易氧化，特别是打底层焊缝背部需要良好的保护才 能有效防止高温氧化过烧现象，所以HR3C钢焊接 时需要进行焊缝背部充氩气。

如图 7所示，在焊缝背部失去氩气保护时，受高 温影响，焊缝背部和母材产生氧化过烧现象，影响 了焊接接头的综合性能。

图 7(Figure 7)

图 7 焊缝背部未充氩造成的氧化过烧现象

焊接裂纹是在焊口冷却过程中产生的热应力 超过材料强度所导致的裂纹。HR3C钢焊接过程中 主要问题是产生高温裂纹，高温裂纹又分为结晶裂 纹、高温液化裂纹和高温脆性裂纹。以下依据其产生的原理，对3种高温裂纹进行分析。

结晶裂纹主要出现在焊缝中，特别是焊缝即将 结束部分和弧坑处（见图 8）。焊接时，在凝固结晶 过程中，熔敷金属晶粒之间还残留着一些液态薄 膜，液态薄膜在焊缝收缩应力的作用下被拉开，其 他液态金属由于凝固晶粒的阻隔而无法填充进来， 进而形成结晶裂纹。

图 8(Figure 8)

图 8 焊接收弧处产生的结晶裂纹

高温液化裂纹主要出现在焊接热影响区的过 热区；在多层多道焊接的情况下，也可能产生于焊 缝中的焊层间和焊道间的热影响区。在HR3C钢的 焊接过程中，热影响区的过热区金属在焊接高温的 作用下局部熔化，凝固时液态薄膜在收缩应力的作 用下被拉开而无法填补，进而形成了高温液化裂 纹。

高温脆性裂纹同样发生在焊接热影响区的过 热区。过热区金属在焊接热循环的作用下虽然局 部没有熔化，但是塑性已明显降低，在收缩应力的 作用下，由于塑性不足而发生开裂。 避免上述高温裂纹的方法是选择适当的焊接 工艺参数。

HR3C钢是在TP310钢的基础上通过复合添加 Nb、N合金元素进行强化后的热强钢，其综合性能较 其他奥氏体钢优良，但也易出现其他奥氏体钢焊接 时所产生的焊接缺陷，在非规范工艺参数条件下实 施焊接，容易产生未熔合、焊瘤、气孔、裂纹等缺 陷。建议在实际焊接过程中采用规范的焊接工艺 参数，避免焊接缺陷发生。