异种钢的焊接摘要：本文介绍了采用手工钨极氩弧焊（GTAW ）进行SA234WPB 与SA182-F304L 钢的焊接，对产生缺陷的原因进行了分析，并提出了改进意见。
关键词： 异种钢 焊接 GTAW 焊前言在秦山坎杜核电站1#、2#堆的管道安装中有两个重要系统：33410（停堆冷却系统）、34320（堆芯应急冷却系统），这两个系统上的管道与流量孔板连接的异种钢接头共有48道焊口要进行焊接。
所有管道或管件材料为SA106GR.B 或SA234WPB ，流量孔板的材料为SA182-F304L ，其公称直径及壁厚分别为10″（273mm ）×0.718″（18.24mm ）和12″（324mm ）×0.843″（21.41mm ）。
根据现场的实际安装情况，要求全部采用手工钨极氩弧焊（GTAW ）进行该对接接头（坡口为V 、J 型见图1）的根部打底焊接，所焊的焊口背面必须采用氩气（Ar ）进行保护。
焊缝级别为核一级，且全部要求100%PT 、100%RT 和100%UT 检验，并执行美国ASME 标准。
以下只叙述SA234WPB 和SA182-F304L 钢的焊接。
1. 焊接性通过对资料的查找得知SA182-F304L （UNS ：S30403）属于奥氏体不锈钢，相当于国内材料00Cr19Ni10；SA234WPB 属于中、高温锻制碳钢，相当于国内材料22g 。
SA234WPB 与SA182-F304L 钢的焊接相当于碳钢与不锈钢的焊接，也就是珠光体钢与奥氏体钢的焊接。
接头及坡口形式：对接接头，坡口为J 型 和V 型（由于特殊原因有些改成该型），见图1。
根据设计要求所采用的焊接材料：焊丝为ERNiCr-3（φ3.2mm ）相当于因康镍82，焊条为ENiCrFe-3（φ2.4mm ）相当于Ni307A （外方只提供该直径焊条、丝）。
其母材、焊材的化学成分及力学性能见表1、表2。
由于两种钢在化学成分、金相组织和力学性能方面相差甚远，在焊接时会出现下列问题： （1） 焊缝金属的稀释由于在珠光体钢与奥氏体钢焊接时碳钢一侧奥氏体焊缝中的母材熔入比例及合金元素浓度的变化，使得焊缝内某点距熔合线的相对距离，一般过渡层的总宽度约为0.2～0.6mm 。
焊缝靠近熔合区处的稀释率很高，铬、镍含量极低，图1这一区域可能是硬度很高的马氏体或奥氏体加马氏体组织。
（2）碳迁移形成扩散层在焊接中长时间处于高温时，珠光体钢与奥氏体钢界面附近发生反应扩散使碳迁移，结果在珠光体一侧形成脱碳层，奥氏体一侧形成增碳层。
由于两侧性能相差悬殊，接头受力时可能引起应力集中，降低了接头的高温持久强度和塑性。
（3）接头残余应力由于珠光体钢与奥氏体钢线膨胀系数不同及奥氏体钢的导热性差，焊后冷却时收缩量的差异必然导致异种钢界面产生另一性质的焊接残余应力。
2.异种钢焊接的工艺流程3.1 ERNiCr-3（99.99%Ar）和E309L的焊接工艺对该异种钢接头的焊接工艺，根据现场情况我们首先提出采用手工氩弧焊打底焊（GTAW），手工电弧焊（SMAW）进行填充和盖面焊，但是由于外方未提供该ENiCrFe-3焊条，通过焊接例会与外方的讨论决定，采用ERNiCr-3焊丝打底焊，E309L焊条进行填充和盖面焊，我们就根据ASME标准上的要求可以将已作过的两种工艺进行组合，没有实际做焊接工艺。
在使用组合工艺进行第一道焊口的焊接过程中，发现有很明显的表面裂纹，立刻停止了该组合工艺的使用。
3.2 采用ERNiCr-3（99.99%Ar）焊接工艺对该问题的出现，又与外方进行了讨论，并要求提供焊条，可外方当初就没有为这些焊口联系焊条，要求我们改用全氩弧焊工艺。
对这么厚的管壁采用全氩弧焊是很难保证质量的。
可在进行该焊接工艺时，按照ASME标准不要求进行UT检验，所以在这些焊口焊接后所进行的UT 检查发现有层间未熔合缺陷。
3.3 采用ERNiCr-3（90%Ar+10%He混合气）的焊接工艺针对UT检验中出现的焊缝层间未熔合缺陷，考虑到可能由于熔深达不到等原因，决定将保护气纯氩气改为使用混合气进行焊接，由于外方没有提供同等厚度的母材，我们就在产品焊缝上进行了工艺确定，并对该焊缝进行了UT检验且合格。
而且1#堆所焊的产品焊缝和返修焊缝，其UT一次合格率均达到98%以上，但是在役检查还是发现该工艺不很理想。
3.4 ERNiCr-3（混合气）+ENiCrFe-3的焊接工艺针对以上所出现的情况，外方提出马上采购并给我们提供ENiCrFe-3焊条。
但是他们只提供了φ2.4mm焊条，我们只能根据所提供的焊条直径，重新在产品上进行了焊接工艺，并进行UT 检查且达到合格要求，在1#、2#堆产品焊缝的焊接及返修上，所焊焊缝的UT一次合格率达到99%。
采用本工艺对以往采用其他焊接工艺所焊接的不合格焊缝进行返修，有些焊缝UT检查发现层间未熔合缺陷较多，而且这种缺陷都在接近根部处，则要对这些焊缝进行切割并重新使用该工艺进行焊接。
4.产生缺陷的原因4.1 裂纹用3.1节工艺进行焊接中，当采用E309L焊条填充时发现很明显的表面树枝状裂纹，而采用其他工艺进行接头的焊接和返修中，特别是焊缝的焊接与返修中，焊接操作控制稍有不当就会出现弧坑裂纹。
出现裂纹的原因如下：（1）在ERNiCr-3和E309L的焊缝熔敷金属中由于铜与铁形成低熔点共晶而出现裂纹，所以ERNiCr-3和E309L不能匹配。
（2）在其他工艺焊接时由于两种钢的线膨胀系数不同以及奥氏体钢的导热性差，焊后冷却时收缩量的差异，再加上焊接中采用的焊接电流大或收弧时未填满弧坑以及收弧不当，都是裂纹产生的根本原因。
4.2 层间未熔合在48道焊口焊接完成后的检验中，RT的一次合格率达到99%以上，但是UT的一次合格率只有25%，而且UT发现的大部分缺陷都是层间线状未熔合。
当使用全氩弧焊（99.99%Ar）进行焊接时所发现的缺陷其深度大部分在根部焊后的1～3层/道，而且在进行焊缝的返修过程中有缺陷扩大的趋势；采用氩弧焊（90%Ar+10%He）打底3层/道，焊条电弧焊填充、盖面焊时所发现的缺陷在盖面焊前所进行的2～3层/道的填充焊，该工艺出现此缺陷的情况较少（见图2）。
出现层间未熔合的原因如下：（1）由于奥氏体钢的导热性差，在GTAW （99.99%Ar）焊接时由于熔深浅而采用小电流、快速焊使两种材质的层间熔合性不好；而且GTAW也主要用于薄板的焊接和厚板的根部打底焊。
（2）可能是由熔化金属超前流到冷金属表面而造成的。
（3）清理不干净使其残留高熔点氧化膜。
（4）采用GTAW工艺焊接或返修该焊缝时由于铁水流动性慢，填层时，焊接速度太快或焊接电流小（焊丝大），也是产生层间未熔合的原因。
如焊接电流大易产生裂纹，或每一道熔敷金属的厚度过厚，使得层间焊道的熔化不是靠电弧热而是主要靠熔化焊丝金属的传导热，从而会由于热量不足产生层间未熔合。
5.改进5.1 焊接工艺方面5.1.1采用直流脉冲GTAW焊直流脉冲GTAW焊较直流GTAW焊的优点：增大焊缝的深度比；防止烧穿；减小热影响区范围；增加熔池的搅拌作用，有助于减少气孔和未熔合的现象，在小电流焊接时，可增强电弧的挺度。
但由于其他原因没有制定该工艺。
5.1.2保护气体采用氩-氦混合气体GTAW焊，即产品焊缝使用90%Ar+10%He，或再提高混合气中He气的含量，利用Ar气电弧稳定柔和，He气电弧发热量大而集中，增加熔深的特点，消除该异种钢产品焊缝焊接中的层间未熔合缺陷的产生。
5.1.3焊接方法对该异种钢产品焊缝应采用GTAW打底焊，手工电弧焊（SMAW）填充、盖面。
5.1.4制定的焊接工艺参数（见表3）5.2 操作方面由于提供的焊丝大（φ3.2mm），焊接时采用点丝送进，填层焊最好不摆动或小摆动。
采用偏熔焊法，就是使焊缝金属偏向坡口一侧的焊接方法。
操作要点：（1）引弧后，将电弧拉长至10mm左右，使接口处稍加预热；（2）压低电弧至2～2.5mm，使接口熔化，形成熔池，随即向熔池填充一滴焊丝金属，作连接的“桥”；（3）将电弧移向珠光体钢侧，约为根层焊缝宽度的2/3坡口上，停顿片刻，并继续填充焊丝金属，然后借助电弧的吹力将已熔的部分熔化金属带向奥氏体不锈钢侧，约为根层焊缝宽度的1/3，稍停一下便急速将电弧摆回，以此类推。
上述操作过程便形成如图3斜坡的焊缝。
采用此法的优点：防止裂纹的产生；减少了碳的扩散；减轻了晶间腐蚀（不锈钢侧受热温度低，热影响区窄，使敏化区范围大大缩小）。
图3 斜坡焊缝（偏熔焊法）5.3 过渡层堆焊工艺方法为了解决母材金属稀释问题，也可在碳钢坡口上堆焊隔离层如图4。
5.4 焊前清理使用ERNiCr-3焊接过程中的焊前清理是非常重要的。
焊件表面的油污和不洁物必须清除。
多道多层焊时，层间的氧化膜如NiO等，由于其熔点为2030℃，比母材高，如果不清除很容易形成焊缝夹入物，所以每层/道焊接时必须严格清理。
结论1）厚壁管的异种钢焊缝的焊接和返修最好使用GTAW焊（最好φ3mm以下的焊丝）打底、SMAW 焊填充和盖面的焊接工艺，并且采用以上的相关措施，这样就可解决层间未熔合、裂纹问题，使得焊缝达到UT检验要求。
2）当所焊接的产品焊缝有UT检验要求时，在进行焊接工艺评定中应增加UT检验报告记录。
3）现场异种钢接头的强行组对使得所焊接的焊缝应力较大，表面返修时产生裂纹。
4）打磨焊缝表面的人员必须进行严格培训。
5）对该异种钢焊缝进行UT检验所使用的UT检查块最好使用不锈钢材料制成的。
6）超声波检验（UT）人员在进行焊缝检验时应能准确确定所发现缺陷的位置和深度，以免多次返修。
7）对该类异种钢接头的管焊缝如没有设计要求，建议使用ER309L焊丝打底焊，E309焊条填充、盖面焊。
图4。