T91小径仪表管焊材选用工艺试验

王影建，梁艳玲，星建民，范绍林

1.北京科技高级技术学校 北京 102308

2.山西太原中冶天工钢构容器分公司 山西太原 030008

1 序言

某电厂项目部在主蒸汽管道取样管施工中，需要焊接φ18mm×4mm的SA213-T91小径管，由于管径小无法进行焊后热处理，故经过研究，决定采用ERNiCr-3镍基焊丝和ER90S-B9焊丝进行焊后力学性能对比试验。

2 焊接性分析

SA213-T91钢为马氏体组织，是在9Cr1MoV钢的基础上降低碳含量，严格限制硫、磷含量，添加少量的钒、铌元素。其具有较好的持久性和较高的强度，但冷裂纹敏感性比较强，有一定的热裂倾向，使焊接性变差。因合金含量较多，钢液黏稠，容易出现未熔合、根部氧化等缺陷，所以焊接难度较大[1]。SA213-T91钢的化学成分及力学性能见表1、表2。

3 焊接工艺试验

焊接工艺试验着重于检验SA213-T91小径仪表管在不能采用电加热方法进行焊后热处理的条件下，选用ERNiCr-3镍基焊丝焊后保温缓冷和与SA213-T91钢相匹配的ER90S-B9焊丝焊后火焰加热并保温缓冷的方法进行对比试验，目的是检测焊接接头焊后的力学性能能否满足使用要求。

表1 SA213-T91钢的化学成分（质量分数） （%）

表2 SA213-T91钢的力学性能

（1）焊接材料 ERNiCr-3焊丝和ER90S-B9焊丝的化学成分及力学性能见表3～表6[2]。

表3 ERNiCr-3焊丝化学成分（质量分数） （%）

表4 ERNiCr-3焊丝熔敷金属力学性能

（2）焊接工艺试验 试验条件：管材规格为φ18×4mm和φ60×4mm，焊丝采用ERNiCr-3或ER90S-B9 ，焊接方法采用GTAW，氩气流量为6～8L/min，焊接层数为2层，焊接位置为6G，焊口充氩，焊前火焰预热至150～200℃，采用镍基焊丝焊后进行保温缓冷，采用ER90S-B9焊后进行火焰热处理，达到650～700℃厚保温缓冷。详细方案及焊接参数见表7。

表5 ER90S-B9焊丝化学成分（质量分数） （%）

表6 ER90S-B9焊丝熔敷金属力学性能

（3）工艺试验过程及分析 方案一：进行4次试验，1-1、1-2试验用管材采用客户提供的SA213-T91钢，尺寸为φ18×4mm，焊后进行力学性能试验，拉伸试验合格，面弯、背弯结果不合格，经过与项目工作人员沟通，对管子母材进行检验，发现首批管子母材不合格，客户对管子进行了更换。

客户对不合格仪表管进行更换后，我们对新到的SA213-T91钢管子在焊前进行了相关检测，确认管子合格后，为保证熔合良好，防止产生焊瘤、内凹等缺陷可能对力学性能的影响，决定采用φ1.6mm焊丝进行工艺1-3、1-4次试验。工艺试验时采用与1-1、1-2相同的施焊人员，焊丝φ1.6mm，焊接电流、电弧电压比1-1、1-2稍小。工艺评定结果仍然是背弯不合格，不合格背弯试样如图1所示，拉伸试验合格，面弯合格，背弯不合格。

方案二：由于方案一的4次评定结果均不合格，因此分析是否因为管子直径小，背弯时内壁不平直，导致背弯不合格，随后决定进行方案二，即采用φ60mm×4mm的管子进行一次试验。采用的焊接参数和方案1-1、1-2相同，结果：拉伸试验合格，面弯合格，背弯检验仍然不合格（注：有的背弯甚至刚弯到90°就产生裂纹）。详细结果见表8。

图1 1-4方案工艺背弯试验

从图1和方案二分析，所有不合格试样背弯断裂均在熔合线上，原因分析如下：

1）焊缝熔敷金属为镍基合金，其延展性好，因此焊缝根部和表面在弯曲时无缺陷。

2）SA213-T91钢母材本身为锻造组织，母材生产时工艺到位，性能合格，因此母材处弯曲时无缺陷。

3）熔合线为焊缝最薄弱部位，由于未进行焊后热处理，因此熔合线上应力较大，组织晶粒粗大，造成弯曲时背弯不合格，与管子直径无关，与焊丝的直径也无关。

方案三：分析清楚原因之后，通过改变焊后热处理工艺，又进行了方案三的试验。

表7 焊接参数

表8 各方案试验结果

方案三选用与母材相匹配的ER90S-B9焊丝，焊后用火焰加热至650～700℃保温，然后缓冷至室温。拉伸和弯曲检测结果均合格，硬度略高。母材和焊缝硬度见表9。

表9 母材和焊缝硬度 （HBW）

由表9数据分析可知：母材硬度在合格范围内，焊缝硬度高。焊后虽然进行了火焰热处理，但恒温时间和加热温度不够，造成焊后组织转变不充分，因此硬度偏高。

通过修改焊后火焰热处理工艺措施，减小了焊缝的应力集中，缓解了熔合线上的应力状况，因此背弯合格。

4 结束语

1）通过本次对小径管SA213-T91焊接工艺试验，我们总结出镍基焊丝并不是全能焊丝，要使焊缝达到标准性能要求，必须选择合适的焊接材料、采用正确的焊接工艺。

2）镍基焊丝只能应急而不能作为永久的焊接材料使用。

3）严格制定焊后热处理工艺措施，也是保证焊接质量的关键。

4）焊前一定要及时对母材、焊材进行化学成分、硬度等检测，防止不合格产品影响工程质量。

5）SA213-T91钢小径仪表管焊后在不能进行电加热的情况下，采用火焰加热也是焊后热处理的加热方法之一。