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摘要：超临界锅炉各部位的蒸汽温度存在差异，对其耐腐蚀、抗氧化、耐高温蠕变等的要求也不尽相同。因而，在超临界机组中，以HR3C、Super304H、TP347H，T91，T92为代表的马氏体和镍基合金。根据统计，超临界锅炉的四管(过热管、再热器管、水冷壁管、节煤器管)的故障占全部事故总数的三分之二，其中炉管接头的早期故障是最普遍的。由于工艺、冶金等方面的原因，如气孔、夹渣、未熔合、未焊透、焊裂纹等，导致异种钢材的焊缝寿命普遍低于设计值，仅为相同钢材的五分之一到三分之一。另外，由于连接端部材料的特性参数(例如热膨胀系数、导热率)的不同，也会使管道发生事故，从而造成重大的经济损失。因此，对异种钢接头的性能、失效机理及寿命的预测是十分必要的。
关键词：T91/TP347H异种钢焊接接头；高温拉伸；本构模型
1异种钢焊接技术的研究现状
异种钢材的焊接工艺已有相当长的历史，但难以得到性能优良的异种钢焊接接头。异种钢的焊接工艺因其化学成分、组织、机械性能及物理性能的不同而变得更为复杂。在电站锅炉中，常用的异种钢有两种一种是奥氏体不锈钢，另一种是Cr-Mo或Cr-Mo-V耐高温钢。奥氏体-铁素体异种钢由于其质量与其价格成正比，在不同的温度区间采用不同的材质，经济效益显著。热电厂锅炉各组成部分的工作特性是长时间处于高温和高压环境中。但实际应用表明，该异种钢在高温下的应用主要存在以下几个问题：在焊接接头的破坏中，主要表现为沿焊缝的界面处出现了比设计寿命更早的塑性裂缝。此类失效往往是突然而又具毁灭性的，极易导致重大的经济损失。为了寻找异种钢的成因，从1950年开始，对9000多种异种钢进行了试验研究，探讨了影响焊接接头早期破坏的多种因素，并找到了合适的填料及焊接工艺。
部分学者对异种钢焊接接头的早期失效进行了大量的研究，结果表明，造成这一现象的主要原因是由于焊接过程中的热膨胀系数存在很大的差别，从而导致了焊接过程中出现的脱碳层。另外，在长时间的使用中，焊缝处会产生脱碳层和渗碳层，从而导致接头的蠕变性能下降。从断裂形态上看，发现了焊接裂纹、晶界沉淀和时效脆化是铁素体-奥氏体异种钢焊接接头的主要失效形式。
1.1焊缝裂纹
熔合区处的应力水平很高，且在交变应力作用下容易产生早期裂纹；而T91钢在高温下长时间使用后，其高温蠕变性能明显下降。在此部位会产生蠕变孔，并在熔合区产生蠕变裂缝，最后发展成宏观开裂和破坏。同时，在高硬度的基体金属中，其塑性、延展性均有所下降。
1.2晶界沉淀
铁素体/奥氏体钢在高温下的疲劳破坏与其在高温下的晶界沉淀有关。采用T92/Super304H合金异种钢在高温下的断口形貌，结果表明高温蠕变断裂后，T92钢在细晶热效应区的晶界中会产生大量的Laves相沉积，认为Laves相沉积是导致该带早期断裂的主要因素。
1.3时效脆化
铁素体/奥氏体异种钢的熔合区因化学元素浓度的稀疏，易形成马氏体，从而导致合金的韧性降低；异种钢在焊接过程中，因碳的迁移而形成了一层渗碳层，提高了淬透性，从而造成了冷裂。
在应用中，既要考虑其失效机制，又要考虑其在高温下的机械性能。但是，有关铁素体和奥氏体异种钢在不同载荷作用下的高温特性的研究却很少。
2奥氏体/马氏体异种钢焊接接头的研究现状
300MW、600MW超临界和部分200MW机组的实际壁温均高于600℃。以往大量应用的珠光体耐热钢，如12 CrlMoV，以及贝氏体耐热钢，如钢研102，已经不能满足需求。在部分200MW、300MW机组中，钢研102、12Cr1MoV等管材存在高温氧化、壁厚变薄等问题。所以，在过热器和再热器中应采用高合金耐热钢，在锅炉的第二层，通常是T91钢，最外层为TP304H，TP437H。在钢材选用上，为了提高安全系数，很多电厂都采用了TP347H取代10212Cr1MoV。在这种情况下，必然会产生大量的奥氏体/马氏体异种钢的焊接接头。
目前，有关高强度马氏体钢T91和奥氏体不锈钢TP347H等合金的异型钢的连接还比较少见。国外有关T91钢异种钢的大量资料，只给出了对应的焊接工艺。目前，国内有关专家和学者对T91钢和12Cr1MoV、钢研102等耐高温钢的连接进行研究，但关于T91/TP347H的相关资料却很少。
2.1 T91/TP347H焊接接头的裂纹灵敏度分析
2.1.1热裂纹敏感性
热裂纹主要有结晶裂纹、液化裂纹等。
在Cr-Ni奥氏体不锈钢中，由于下列原因，导致了大的热开裂趋势。
(1)奥氏体钢的热传导率低，线膨胀系数大，焊接时的拉伸应力大，形成凝固裂纹的必要条件。
(2)奥氏体在焊接过程中容易形成具有较强方向性的柱状晶焊缝，有利于有害杂质的偏析，促进了晶间液相的形成和焊接凝固开裂。
(3)奥氏体钢及其焊接接头中的合金成分较为复杂，易产生熔点共晶、易产生危险的液相。为了避免奥氏体不锈钢的焊缝出现热开裂，应选用适当的焊料，通过合理的配方，使焊缝形成奥氏体、铁素体双相组织，控制焊件中的杂质及碳化物。
在结晶后期，由于熔点共晶的液膜减弱了晶粒间的联系，从而导致了晶体开裂。本文主要研究了T91钢的结晶裂纹。日本学者对T91、SUS304、SUS347进行了高温开裂实验。结果表明，9Cr1Mo钢的结晶裂纹比SUS304大，但比SUS347小。国内的焊工采用了可变约束实验，比较了T91等钢材的开裂趋势。结果表明：T91具有类似12Cr1MOV的结晶断裂趋势。它略小于0Cr18Ni9Ti的不锈钢和Ni9Ti。T91比低合金高强度钢具有更大的结晶性。通过对比发现G102的裂缝倾向明显高于TP347T91，TP304的裂缝倾向很少，T22的裂缝趋势很少。由此，可以推测出不同类型钢材的焊缝裂纹敏感性。
晶体开裂受多种因素的影响，其中有冶金和力两大类。例如，在1958年，Wilkinson和Cottrell只从冶金角度提出了HCS，没有考虑到力的影响。结合T91钢管在焊接工艺中无约束，焊缝应力较少，T91、TP347H合金的焊缝具有一定的结晶性，但不太灵敏。
液化裂纹是指在热循环条件下，由于金属的重熔，使多层焊缝或层间产生的裂纹，并在应力作用下沿着奥氏体晶界产生裂缝。高温韧性测试的有关资料研究发现，T91的液化裂缝趋势与SUS304相似，但比SUS347、T91SUS304SUS347低。在低温下，热塑性快速升高，这两种材料均具有较好的耐液化开裂能力。通过对12Cr1MoV和TP347T22进行了可变约束实验，发现其液化的可能性很低。在此基础上，T91、TP347H等异种钢材对液化裂缝影响不大，且不存在液化开裂的倾向。
总之，虽然T91、T22、G102TP347等异种钢材的焊缝出现了一些结晶性裂缝和液化的裂缝，但并不是很明显的，可根据焊接过程及材料的选择来确定其耐热裂性能。
2.2再热裂纹敏感性
再热裂纹是在经过一定的应力消除和使用后，在某些含某些析出的合金元素的钢材的焊接热影响区内产生的裂纹。近年来，国内外对铬钼钢进行了较深入的研究，绘制了其C型曲线分区图，并在此基础上对其进行了分析。9Cr-1Mo在敏感区外，对再热裂纹不敏感，这与MoC的消失有一定关系。对9Cr-1Mo钢进行了应力松弛实验，结果表明，在一般的敏感性条件下9Cr-1Mo钢对再热开裂的影响不大，但是，再次加热会引起脆性。回火的脆化温度在450℃~550℃之间，焊接后的热处理应尽量避开这个温度区间。
主要研究了TP347H的晶间腐蚀，包括焊接晶间腐蚀，热影响区的敏感性腐蚀以及焊趾的刃形腐蚀。任何一种晶间腐蚀，都是因为C先在奥氏体晶界沉积，再与Cr键合而形成碳铬合金或其它碳铬化物，从而使产物中产生贫碳。另外，单相奥氏体焊料是一种较为成熟的圆柱形合金。在450℃~850℃的感光温度下，贫铬合金会渗入到晶粒间，形成一条腐蚀通道，使腐蚀介质聚集，从而使其耐腐蚀性下降。为了防止晶体间的腐蚀，必须从以下两个方面着手：①采用超低碳、低碳奥氏体钢及焊接材料；将某些C稳定的合金元素加入到焊料或基材中，例如Ti、Nb。②从焊接冶金观点出发，奥氏体焊缝中的圆柱形结晶应该被分散，从而使其具有双相组织。
从T91和TP347H两种焊接工艺中，可以看出，TP347H是TP347H焊接工艺的关键因素，同时还应考虑T91的回火脆性(包括焊接工艺、材料和工艺参数的选取)。同时，为了减少再次热裂纹发生的可能性，应考虑取消焊接后的热处理。
3试验介绍
研究了不同加载速率下T91/TP347H/异种钢焊接接头和母材的高温拉伸性能。原接头及端子材料均由锅炉厂供应，焊接用的是ERNiCr-3型焊丝，采用全弧焊，应变在0~1.5%之间。
4 T91/TP347H/异种钢焊接接头拉伸本构模型研究
在材料强度较大而屈服流不明显的情况下，可以忽略其塑性流动。
屈服点不显著的物质很难被测量，一般情况下，0.2%的应变是屈服的。在此基础上，本文对双线性模型作了一些修改，在实验数据的基础上，利用最小二乘方法对母材和焊缝进行了拟合，并对其进行了改进，经过实验得出：
(1)在10-5s-1条件下，T91、TP34H钢和T91/TP347H异种钢等品种钢的受力性能无明显影响。
(2)双线模型及修正双线性模型均能较好地反映出T91、TP34H、T91/TP347H等异种钢的高温拉伸性能。在T91钢的弹性阶段，采用双线性模式较为保守；在塑性期，修正后的双线性模型较为保守。结果表明，TP34H钢和T91/TP347H异种钢在弹性阶段均表现出较好的稳定性。在塑性期双线模型较为保守，而修正后的双线性模型则与真实情况相近。
(3)T91/TP347H型异种钢与TP34H钢具有相同的应力-应变关系。结果表明，TP34H钢的综合力学性能比T91钢的力学性能好。
(4)在工程实践中，提出了采用修正的双线性模型来描述T91钢在高温下的拉伸性能；对TP34H钢、T91/TP347H等异种钢材进行了双线性建模。
5 T91/TP347H异种钢焊接接头拉伸模拟研究
采用Ansys软件plane13单元，对样品进行了轴对称分析。模型由848个结点和702个单元组成。采用一种一端受力的方式来模拟实际的实验约束。在加载时间600s、加载速率2.5×10-5s-1、加载时间1500s、加载速率为1×10-5s-1的情况下，采用了双线性和多线性模型对样品进行了拉伸。
在多线性和双线性模式下，当量应力的数值模拟值与实验值基本相同；但在T91/TPH347H异种钢焊接接头的计算中，其计算值与T91/TPH347H的计算值存在明显的偏差，在2.5×10-5s-1和1×10-5s-1时，对应的错误为26.26%和43.88%，而多线性模型的计算值与实测值的偏差值相差不大，两者对应的误差为-11.12%，-5.03%。另外，在拉伸过程中，当量应力最大的位置也会随之改变。双线性模型的最大等效应力值比多线性模型的数值要大得多，而且M01、M02的最大等效应力位置也有很大差异。初步结果表明，多线性模型能够较好地反映材料的抗拉性能。
5.1应力时间历程
异种钢的最大等效应力集中于T91一侧，符合实际情况。但在T91端，等效应力最大值不会在焊接表面产生。X坐标与Y坐标的最大等效应力随时间的变化而变化，将双线性模型编号为M01和M02，M01的加载速率为2.5×10-5，等效应力为321，最大等效应力为470，M02的加载速率为1.0×10-5，等效应力为362，最大等效应力为821；多线性模型编号为M03，M04，M03的加载速率为1.0×10-5，等效应力为223，最大等效应力为326，M04的加载速率为1.0×10-5，等效应力为230，最大等效应力为355，M01、M03、M04等效作用点的最大等效应力点的位置变化规律基本一致，其最大等效应力值为470.12MPa，326.237MPa，355.126MPa。在加载时，由样品两端的圆角(x=36mm和x=79mm)将最大等效力点经样品中心(x=56mm)传送至样品表面(x=2.6mm)。在模型表面x=2.56mm时，用T91钢(y=72mm)作为a点，T91侧的焊接点(y=62mm)和TP347H侧的焊接点(y=56mm)和TP37H钢(y=46mm)。
M02的最大当量应力位置与其他条件基本一致，但在焊接后期，最大当量应力达到812.498mpa。用同一参考点A，B，C，D，并在x=1mm处增加两个参考点：E点(y=65mm)和F点(y=60mm)。用有限元方法对实验结果进行了分析，结果表明，在实验中难以观测到这一现象。在载荷初始阶段，最大等效应力集中于试件的边缘，此时应力集中作用占主要位置；在荷载作用下，最大等效应力发生在焊缝部位，在整个结构中部，其作用是稳定的；加载后期，试件的整体应力比较大。由于不同截面材料的性能差异，尤其是在不同的焊接部位，其影响更加显著。
5.2径向位移
在1.5%的拉伸应变下，试件的颈缩没有显著的收缩，所以试件的直径变化，也就是试件的径向变形，在测试中可以忽略。本文利用有限元方法对这种微小的现象进行了放大。
T91钢的径向位移很小，而T91侧的焊接接头在加载初期无明显的径向位移。在荷载作用下150s后，产生了较大的径向位移，这与此点后应力迅速增大相对应。在加载后，TP34H和TP347H侧焊缝沿径向位移逐渐增大，且径向位移明显高于T91。但是，这一数值计算得到的最大径向位移只有0.0612mm，只占试件试验段长度的1.39%，最小径向位移为0.00131mm，为试件长度的0.07%，说明TP347H钢一侧有轻微的颈缩。
T91钢的径向变形较小，而T91侧的焊缝在载荷初始阶段无明显的径向位移。在150s后，产生了较大的径向位移，这与150s后的应力迅速增大相对应。在TP347H、TP347H两种材料加载后沿径向位移逐渐增大，且径向位移明显高于T91。但是，试件最大径向位移只有0.03612mm，相当于试件的试件长度的1.43%，最小径向位移为0.00130mm，为试件长度的0.06%，说明TP347H钢一侧有轻微的颈缩。
在加载500s之前，T91钢与焊缝一侧的半径变形基本不变，500s以后，其径向位移逐渐增大。但TP347H和焊缝一侧的径向位移在100s以后呈逐渐增大的趋势，其径向位移比T91端的变形量要大得多。
与内表面x=1mm的径向变形相比，外表面焊接处的径向位移改变为连续的，而内x=1mm的焊接部位的轴向位移在相当小的距离内具有若干相继的变异。但是，TP347H一侧的径向位移比T91一侧的径向位移要大。
6结语
(1)采用多线性模型进行仿真，其误差比双线性模型要小，T91侧焊缝误差小，与现场实际相符。多线性模型能较好地反映材料的拉应力特性
(2)T91/TP347H型异种钢钎焊接头的薄弱部位在T91侧和外壁，T91侧无明显的径向形变，而TP347H侧则出现了径向形变，使其截面面积有所减少。
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