SA335P91/10CrMo910异种钢的焊接工艺研究

2014-11-24中国能源建设集团山西省电力建设二公司朔州036011范如杞杨翠林

金属加工(热加工) 2014年4期

中国能源建设集团山西省电力建设二公司（朔州 036011）范如杞杨慧杨翠林

1.概述

在山西平朔发电有限责任公司2×300MW二期扩建工程中，主蒸汽管道堵阀焊口材质为SA335P91/10CrMo910，即M+P类异种钢接头，于2008年7月24日焊接完毕。本部件焊口采用本文所述的工艺方法焊接完毕后，外观工艺优良，无损检验一次合格率100%，经水压试验，焊口无泄漏。

2.异种钢的焊接性分析

（1）SA335P91钢与10CrMo910钢简介 SA335P91钢属于马氏体耐热钢（M），该钢具有较高的高温蠕变断裂强度、低的热膨胀性、良好的导热性、较好的加工性和抗氧化性能，SA335P91钢合金元素高、碳当量高，因此该钢材焊接时有强烈的淬硬倾向，冷裂纹敏感性强。加之SA335P91钢用于大直径、厚壁管，结构刚性大，拘束应力大，焊后冷却过程接头处组织应力大也增加了冷裂倾向；10CrMo910作为珠光体耐热钢（P），其淬硬及冷裂倾向性较小，焊接性相对较好。

（2）SA335P91与10CrMo910异种钢的焊接性由于SA335P91钢和10CrMo910钢的化学成分及热性能差异较大，使碳和合金元素的相互扩散极不均匀，从而导致了组织和性能的极不均匀，熔合区作为焊缝和母材的过渡地带，也易在熔合线附近产生焊接缺陷。因此，SA335P91/10CrMo910异种钢的焊接比同种钢的焊接难度要大，要复杂的多，对焊工的操作要求也比较严格，必须采取合适的焊接工艺措施，以确保此类异种钢焊接的质量。

3.焊接材料及焊接机具的选择

（1）采用ZX7—400STG型逆变弧焊机，焊机电流大小稳定，并能连续可调；热处理机型号为HLJW—C—360kW型；设备上附带的仪表及氩气表须在校验有效期内。

（2）氩弧焊用的钨极、氩气质量应符合国家标准（或有关标准），铈钨极φ2.5mm，在使用前应将端部磨成圆锥形，氩气的纯度应＞99.95%。

（3）选用上海电力修造厂生产的TIG—R40焊丝和R407焊条，规格为φ2.5mm、φ3.2mm；焊材须有厂家提供的质量合格证；焊材应存放在干燥、通风良好、温度＞5℃且相对空气湿度＜60%的库房内；焊丝在使用前应将其表面的水分、铁锈、油污等清理干净，并露出金属光泽；焊条使用前应按其说明书要求进行烘焙，重复烘焙不得超过两次；烘焙后的焊条使用时，应装入温度保持在80～110℃的专用保温筒内，保温筒应插上电源，随用随取。

（4）焊工应配备扁铲、榔头、保温筒、焊条筒、小手电及专用不锈钢钢丝刷等工器具，还应配备电磨头、小锉刀等。

（5）氩气表应选用气压稳定、调节灵活的表计；输送氩气管应质地柔软、耐磨且无漏气现象。

4.施工工艺流程及操作要点

（1）施工工艺流程施工准备→焊前预热→充氩→点焊及氩弧焊打底→焊条电弧焊填充盖面→焊后热处理。

（2）操作要点焊口组对要求：焊口组对时，应对坡口及其内外壁附近15mm范围内进行清理和打磨，无油漆、水分、油脂及铁锈，并露出金属光泽；坡口及附近不能有裂纹等缺陷（可用放大镜检查），施焊前还应检查坡口形状、尺寸及清洁度；对焊管口端面应与管子中心线垂直，其偏斜度不超过DL/T869—2004的规定要求；焊件组装时，一般应做到内壁齐平，如有错口，其错口值≤1mm；焊口局部间隙过大时，应设法修整到规定尺寸，严禁在间隙内加填塞物，可采用堆焊的方法修补坡口；焊接组装时，应将待焊工件垫置牢固，以防止在焊接过程中产生变形和附加应力。

充氩：为防止焊缝根部氧化，焊前应在管内充氩保护。充氩时用可溶纸折叠成圆锥状，圆锥底面直径应比钢管内径大10mm左右，以坡口轴向中心为基础，每侧300～400mm的位置。为确保充氩质量，可溶纸应加装两层，并用浆糊粘住，做成密封气室。然后将扁管插入焊缝内，充氩流量为20～30L/min，整个焊缝可用胶条或保温条堵严，焊一段拨开一段。向内充氩时，应在感觉氩气从焊缝间隙轻微返出时，方可焊接（见图1）。也可用打火机测试氩气是否充满。

图1 坡口充氩

（3）点焊及氩弧焊打底严禁在被焊工件表面引燃电弧、试验电流或随意焊接临时支撑物，高合金材料表面不得焊接对口用夹具。

进行点焊时新用的焊接材料、焊接工艺应同正式施焊时相同，点焊必须由焊工本人进行，严禁非专业人员代替。定位焊缝应以15～20mm为宜，厚度≤3mm，定位焊数量≥4点。定位焊完毕后一定要检查有无错口，对口间隙是否合适，定位焊缝有无缺陷，如有必须将缺陷磨掉重新定位。点焊完毕，应及时进行打底焊，打底焊接时不允许采用将缺陷部位重新熔化的方法来消除缺陷，打底时送丝一定要均匀，不能靠送丝的力量来突出根部，避免造成根部焊丝未熔夹丝。

氩弧焊打底时焊前预热温度为180～200℃，而焊条电弧焊时预热温度为200～300℃，这样当由氩弧焊转为焊条电弧焊时，中间必须进行再次升温。SA335P91钢是一种高合金钢，其异质接头焊接时背面也必须进行充氩保护，考虑到打底及次层焊接时均可能造成背面氧化，均需要进行充氩保护；做一层氩弧焊打底时，焊缝强度不够，在外力作用下容易产生裂纹。基于上述两种因素的考虑，选择了双打底工艺，这样既确保了充氩的连续性，也保证了焊缝的强度。

管子焊接时管内不得有穿堂风，氩弧焊打底的焊层厚度≥3mm。采用氩弧焊打底的根层焊缝检查合格后，应及时进行次层焊缝的焊接，以防止产生裂纹。氩弧焊打底的焊接参数如表1所示。

表1 氩弧焊焊接参数

层间温度控制在200～300℃。为确保焊接过程中的层间温度，尤其是防止冬季施工焊口温度下降太快，应利用远红外加热器进行全程温度控制，在焊口两边包好履带加热器，以便及时升温。采用两根K型热电偶作为温度控制元件来监控测温。热电偶应在横焊口对称布置，吊焊口为上下布置。用铅丝紧固于坡口管材表面距坡口25mm处，每支热电偶采用1路控温加热线路，热电偶布置如图2所示。另外由质检员手持红外线测温枪对每层的层间温度进行测量，发现温度超出规定要求，及时通知焊工停止施焊，待层间温度达到规定要求后再施焊。

图2 热电偶布置

（4）焊条电弧焊填充盖面打底完成后，将预热温度升至200～300℃，可以开始焊条电弧焊。焊接过程中必须严格控制焊接热输入，要求焊接热输入值<30kJ/cm。这就要求操作中的焊层厚度、焊接速度、焊缝摆动宽度均较为严格。焊接时，单层焊道厚度不能超过焊条直径，焊道宽度不超过焊条直径的4倍。具体焊接参数如表2所示。

表2 焊条电弧焊填充盖面焊接参数

由于SA335P91材质的铁液流动性差，容易产生夹渣、层间未熔合等缺陷，因此加强层间焊渣的清理至关重要。层间焊缝的清理应采用机械打磨的方式，用角磨机或不锈钢钢丝刷彻底清理焊渣及飞溅，特别是焊缝接头处和坡口边缘处，层间焊缝清理干净后方可进行次层焊缝的焊接。

层间接头应相互错开，为便于层间接头的熔合良好，可用砂轮机在焊缝接头处打磨出斜坡，起弧和停弧时均将电弧引在坡口内壁上，收弧时减慢焊接速度，增加填丝，将弧坑填满。

5.焊后热处理及焊后检测

（1）异种钢焊接过程温度曲线如图3所示。

图3 SA335P91/10CrMo910异种钢焊接过程温度曲线

（2）焊后热处理热处理温度：720～750℃；热处理恒温时间：≥4h；升降温速度：6250/δ且≤150℃；焊后温度冷却至100～120℃时，应立即进行至少1h的恒温处理，以确保马氏体转变完成，降温过程中，温度在300℃以下可不再控制。

（3）加热宽度从焊缝中心算起，每侧不小于管子壁厚的3倍，且≥60mm。

（4）加热方法应力求管道内外壁和焊缝两侧温度均匀，恒温时在加热范围内任意两侧点间的温度差应＜50℃。

（5）保温宽度热处理时的保温宽度从焊缝中心算起，每侧不得小于管子壁厚的5倍，且每侧应比加热器的安装宽度增加≥100mm。

（6）焊后检测焊后焊接接头无损检测一次合格率为100%。焊接接头热处理完毕做100%硬度测定，焊缝硬度平均值为180～270HBW，硬度值符合标准。做焊缝及两侧热影响区的金相微观测定：10CrMo910侧热影响区组织为粒状贝氏体，焊缝区为柱状晶分布的粒状贝氏体，SA335P91侧热影响区组织为回火索氏体＋少量粒状贝氏体，且组织性能良好，如图4所示。