P280GH与A335P22超强匹配焊材焊后热处理工艺

2013-09-17张学锋郭国均

电焊机 2013年11期

张学锋，郭国均

(浙江省火电建设公司，浙江杭州 310016）

0 前言

某电厂主蒸汽管道旁路安装中有P280GH和A335P22异种钢焊缝，规格为φ114 mm×14 mm、φ406 mm×23.83 mm。焊接前对这两种规格的材料进行焊接工艺评定试验，由于业主要求，焊接材料选用的是高匹配，即焊丝为TGS-2CML、焊条为R407。在试验过程中发现，选择高匹配焊材时，薄壁管道和厚壁管道在焊后选择热处理规范时是可以不一样的。

1 可焊性分析

P280GH钢属于AⅡ类碳素钢，A335P22钢属于BⅠ类珠光体钢，具体化学成分如表1所示。根据碳当量公式CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15（单位：%）计算可知，P280GH钢的碳当量值为0.39%，碳当量小于0.4%属于可焊性好的钢材，不需采取其他措施；A335P22钢的碳当量值为0.8%，大于0.6%属于可焊性差的钢材，钢材易于淬硬，焊接前需预热，焊后需进行焊后热处理措施。

焊接工艺评定执行的规范是DL/T 868-2004[1]标准，规范推荐的工艺[2]是焊接材材选用低匹配（P280GH侧），预热温度选高匹配（P22侧），焊后热处理温度选低匹配（P280GH侧），由于业主要求因此实际选用的焊材为高匹配（P22侧）。

由于焊接材料选用的是高匹配TGS-2CML、R407，它的可焊性相对低匹配的焊接材料而言要差得多，且与执行的标准不一致，因此在试验过程中存在着一定的变数，焊接材料化学成分分析如表1所示。

表1 焊接材料化学成分%

2 焊接工艺

（1）采用GTAW+SMAW焊接工艺。

（2）规格为φ114 mm×14 mm焊缝坡口采用单V型，φ406 mm×23.83 mm焊缝坡口采用双V型。

（3）焊前预热：预热温度200℃~350℃；层间温度不大于350℃。

（4）采用多层多道焊，焊层厚度不大于焊条直径加2 mm，焊道摆动宽度不大于焊条直径的5倍。

（5）焊接工艺参数如表2所示。

表2 焊接工艺参数

3 焊接试验过程

试验分两个阶段实施，第一阶段完成φ114mm×14 mm规格焊接工艺评定，试验一次成功，焊后热处理温度选择为620℃～650℃，过程实测为635℃～644℃，恒温1 h；第二阶段完成φ406mm×23.83 mm规格焊接工艺评定。试验总共进行了三次，前两次不合格，最后一次合格，热处理温度和时间如表3所示。

4.1 第一阶段

φ114mm×14 mm规格焊接工艺评定采用规范推荐的热处理工艺参数，即焊后热处理温度620℃～650℃，恒温1 h，试验数据符合标准的要求，试验数据详见表4、表5。

4.2 第二阶段

（1）由于第一阶段试验一次成功，因此φ406mm×23.83mm规格焊接工艺评定试验时同样也采用了规范要求的热处理工艺，但实际试验结果很不理想，试验数据详见表4、表5。主要数据显示是弯曲试验、硬度试验和冲击试验都不合格，其中弯曲试验为侧弯，试验结果是根部开裂，硬度数据超标，冲击值小于27J/cm2，都不合格。

（2）基于第一阶段的试验数据，经分析，认为φ406 mm×23.83 mm焊接工艺评定第一次试验失败原因是由于焊缝硬度偏高引起的，高温回火不彻底。分析整个焊后热处理实施过程，原因可能有两方面：一是焊后热处理恒温时间不够，温度不均匀，高温回火不彻底；二是热处理材料包扎不到位，管内一侧未封闭，导致焊缝根部散热太快。因此修改了焊

表3 热处理工艺参数

4 试验过程分析

表4 冲击试验和硬度试验数据

表5 拉伸试验

后热处理的恒温时间，由1h增加1.5h，并加强了热处理的包扎和过程的监控，再进行第二次试验。

（3）φ406mm×23.83mm焊接工艺评定第二次试验结果还是不理想，结果是硬度值略微偏高，冲击值更低。是否还是热处理回火不彻底？于是重新截取试块在热处理炉内又进行了本次试验的二次焊后热处理，完成后再次试验显示硬度值趋于合格，但冲击值几乎没有变化，硬度和冲击值如表4所示。

（4）通过这两次试验，分析认为试验不合格的原因不是由于焊后热处理高温回火不彻底引起的，而是焊后热处理温度选择不当导致的。原因有二：一是秦山项目的焊接材料都经过了进库前的焊接复核堆焊试验，焊后热处理温度选择为720℃～750℃，经试样冲击试验的表明焊接材料是合格的；二是秦山二期焊接材料选择高匹配依据是ASME规范，ASME规范B31.1动力管道篇132.1 B规定，当两种不同的P-No材料的零件焊接连接时，应该按要求较高焊后热处理温度的材料的规定进行处理，且推荐温度为700℃～760℃[3]。因此φ406 mm×23.83mm工艺评定试验进行了第三次试验，焊后热处理温度选择为高匹配，考虑到P280GH的AC1线为725℃，最终选择焊后热处理温度为700℃～715℃，试验结果合格。

5 试验结果分析

5.1 拉伸试验

拉伸试验结果如表5所示，每组试验的抗拉强度都大于母材标准强度413 MPa，拉伸试验合格。

5.2 弯曲试验

φ114 mm×14 mm焊接工艺评定弯曲试样采用的是正弯和背弯，φ406 mm×23.83mm焊接工艺评定弯曲试样采用的是全焊缝侧弯，从试验结果看除第二组不合格外，其余试样都合格。不合格试样原因分析是由于焊缝和单侧热影响区硬度偏高，与P280GH侧的硬度相关太大，导致弯曲过程中一侧太软一侧太硬，无法实现焊缝中心弯曲，不合格试样如图1所示。

图1 弯曲试样

5.3 金相试验

对每一组试样都进行宏观金相分析和微观金相分析，组织都符合规范的要求。

5.4 冲击试验和硬度试验

冲击试验和硬度试验数值见表4，其中φ406mm×23.83 mm焊缝第一组和第二组不合格。

5.5 综合分析

通过四组试件试验表明，P280GH与A335P22采用高匹配焊材焊接时，主要问题是冲击韧性和硬度不符合规范要求，它与焊后热处理温度存在较大的关系。

（1）薄壁管焊后热处理采用低匹配规范，由于管壁薄受热均匀，恒温状态时达到焊缝温度均匀的时间短，容易实现品的合格，证明了DL/T869-2004规范中5.4.4免除条款的正确性，即在氩弧焊打底、采用低氢型焊条、焊前预热、焊后缓冷的A335P22类材料6 mm以下焊缝可免除焊后热处理[2]。

（2）异种钢焊接一方面应考虑它的可焊性，另一方面还应考虑焊前预热和焊后热处理规范。厚壁管由于壁厚的原因，管壁的温度是通过热辐射来达到最终的均匀，会存在温度不均匀和恒温时间有长有短，而且高温回火也不能通过加长恒温时间来弥补温度不够这一现实。因此厚壁管异种钢焊接焊后热处理温度应焊接材料为依据，焊接材料靠近哪一侧就以哪一侧为准。

（3）增加焊后热处理时间可以降低焊缝硬度，但并不能提高冲击韧性；重做焊后热处理可以降低焊缝硬度，但不能改变冲击韧性。