关键词：HR3C；奥氏体不锈钢；高温；新型
1、概述
HR3C钢在ASME标准中材料的牌号为SA—213TP310HCbN。是目前世界上最先进的超超临界参数电站锅炉机组使用的最高端钢种，该钢在苛刻烟气、蒸汽环境下具有优异的性能。我国已建和在建的USC锅炉中大都选用了HR3C钢，但是由于我国的USC机组起步较晚，对HR3C钢的认识和焊接性能还需要进一步的了解和掌握。
2、HR3C钢的化学成分分析
HR3C钢是改良的25—20型奥氏体不锈钢，钢中联合加入Nb和N元素，既能改善钢的高温强度，又可以稳定奥氏体相。对碳、硫、磷的限制是为了保证焊接所必需的。由于含Cr量较高，使HR3C钢具有较强的抗蒸汽氧化性和高温抗腐蚀性能。Si和Mn都是促进σ相的元素，对它们的限制是出于对析出σ相的控制。Ni和N是抑制σ相析出的元素，若过低，则抑制不住σ相在时效时析出，使钢的冲击韧度严重恶化。但是Ni和N的含量过高，还会出现别的氮化物，从而降低了钢的韧性。加入了2%以上的Cu可以起到稳定奥氏体的作用，并在运行过程中析出弥散细小的富铜相，以提高焊缝金属高温强度的目的。
3、HR3C钢的焊接
HR3C钢采用镍基焊丝ERNiCr-3焊接，由于母材和焊接材料的合金成分很高，焊接操作存在很大的难度，掌握其焊接性能、焊接操作技巧、焊接质量的控制要点是非常重要的，探索焊接技术工艺是必要的。
3.1、HR3C钢的焊接材料
1）HR3C钢选用镍基焊丝ERNiCr-3，直径φ2.4mm的焊丝。
2) ERNiCr-3焊丝全焊缝金属机械性能见表。
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3）由于镍基焊丝ERNiCr-3的焊缝金属在长期高温服役下具有很好的显微结构稳定性，优良的抗高温蠕变性和抗氧化及抗腐蚀性能，其蠕变断裂强度能够充分匹配HR3C奥氏体耐热钢母材的相应性能，因此HR3C钢采用ERNiCr-3焊丝进行焊接。
3.2、HR3C钢的焊接工艺。
1)HR3C钢在供货状态下属单一的奥氏体组织，焊接性能良好，无冷裂纹和再热裂纹倾向，不需要焊前预热。
2）这种Cr、Ni纯奥氏体钢在焊接过程中有热裂纹倾向，裂纹常出现在焊缝中，尤其容易发生在焊缝的收尾部分和弧坑处，因而应注意控制热输入及层间温度。
3)为防止高温区合金元素的氧化，在整个焊接过程中必须进行背面充氩气保护，才能使打底焊缝的根部得到良好的保护，防止根部氧化，获得良好的根部焊缝。
3.3、焊接方法。
3.3.1、焊接方法采用GTAW焊接工艺，工艺参数见表。
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3.3.2、焊件组对
焊件组对前将焊缝两侧母材20mm范围(内、外壁)打磨干净，露出金属光泽。坡口角度30~35mm，对口间隙3~3.5mm，钝边0.5~1mm。
3.3.3、焊口点固
采用GTAW焊，定位焊内部必须充氩气保护，坡口内侧焊道的厚度尽量要薄以利于接头。焊接材料，焊接工艺必须与正式施焊时相同。
3.3.4、打底层焊接
在管子坡口内采用高频引弧，引弧后将电弧压低并迅速移到坡口钝边处，略做小幅摆动，使坡口两侧充分熔化形成熔池后在送丝，按正月芽型运条法摆动氩弧焊枪进行焊接，焊丝的端头始终在瓷嘴下面的氩气保护区内，以防止焊丝端头氧化。
3.3.5、填充、盖面层焊接
1)填充 、盖面层采用多道焊，尽量用小电流，快速焊，薄焊层，焊接过程中严格控制焊缝的层间温度。
2)由于焊接过程中存在对前层焊缝的二次熔化，所以第二层焊接时管子的内壁还必须保持充氩气保护，以免根部氧化，第三层至盖面就不需要充氩了。
4、HR3C钢的主要性能
HR3C奥氏体耐热钢在长期保温后其硬度随着保温时间的增加是逐步上升的，当保温在0~300小时，其硬度随时间变化较快，其中在0~50小时和100~300小时两个阶段的硬度升幅较大，而50~100小时之间则基本没有变化。当保温时间超过300小时后，硬度增加的速度开始变慢，直至1000小时硬度几乎不再增加，基本处于平稳状态。
HR3C钢长期高温保温后硬度上升的原因是，在短时期保温后开始在晶粒内部析出微细的铌的碳氮化合物、在晶界处析出M23C6相，使得HR3C钢的硬度上升。当保温时间继续增加，在晶界与晶内析出的合金化合物数量及析出速率逐渐趋于稳定。
5、HR3C钢焊接接头易产生的缺陷
5.1、HR3C钢焊接时需要克服应力腐蚀、σ相脆化、焊接热裂纹等问题。
焊接环境和运行工况是导致HR3C钢产生应力腐蚀的结果。焊接材料选择不当直接导致产生σ相脆化原因。和其它同类型钢相比，HR3C钢的韧性较好，所以焊接过程中几乎不产生冷裂纹和再热裂纹，但容易产生热裂纹。这些焊接质量问题通过选择焊接方法和焊接工艺来改善，效果并不是很明显。这样就必须采用较低的焊接热输入来防止缺陷的产生机率。
5.2、HR3C钢焊接裂纹
HR3C钢焊接过程中主要产生热裂纹，热裂纹又分为结晶裂纹、高温液化裂纹和多边化裂纹。以下根据产生原理对3种裂纹进行分析
5.3、焊接热输入过大
由于焊接电流过大、焊接速度慢、电弧长、焊工操作不当等因素导致焊接热输入过大，造成焊缝根部容易产生焊瘤或在焊口的仰焊部位产生内凹缺陷。所以在焊接HR3C钢的过程中要严格执行焊接工艺参数进行施焊。
5.4、焊缝内部氧化
在焊接HR3C钢的过程中，焊缝背部不充氩气保护时，在高温下合金元素极易氧化，特别是打底层焊缝需要良好的充氩保护才能防止产生氧化过烧。
5.5、HR3C钢焊接层间温度过高。
在焊接过程中层间温度过高，会造成熔敷金属流动性差，焊接操作困难使焊缝产生气孔、氧化和咬边等缺陷，造成焊缝不成形，导致力学性能下降，因此在焊接HR3C钢过程中要严格控制层间温度。
6.结 论：
HR3C钢是在TP310钢的基础上通过添加Nb和N合金元素进行强化的热强钢，其综合性能较其它奥氏体钢优良，但是容易出现其它奥氏体钢焊接时产生的焊接缺陷。建议在实施焊接过程中采用规范的焊接工艺参数，避免缺陷的产生。
论文作者:李英伟
论文发表刊物:《城镇建设》2020年3期
论文发表时间:2020/4/3
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