中石化第十建設(shè)有限公司 （山東淄博 255000） 唐元生

1.概述

近幾年公司為了項(xiàng)目施工降本增效，大力倡導(dǎo)和推廣熔化極氣體保護(hù)焊接工藝，對(duì)此我們結(jié)合項(xiàng)目焊接施工需求，決定采用實(shí)芯焊絲熔化極MAG焊進(jìn)行A335－P11（以下簡(jiǎn)稱P11）材料的焊接工藝評(píng)定，以滿足現(xiàn)場(chǎng)的焊接施工需求。

耐熱鋼P(yáng)11近似于國(guó)內(nèi)材料珠光體耐熱鋼15CrMo，我公司采用的鎢極氬弧焊打底+焊條電弧焊填充、蓋面焊接工藝非常成熟，但采用實(shí)芯焊絲熔化極MAG焊接P11等耐熱鋼在公司范圍內(nèi)應(yīng)用較少，經(jīng)驗(yàn)不足。

測(cè)試焊接過(guò)程中，在P11管材實(shí)芯焊絲熔化極MAG焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)時(shí)，彎曲、拉伸試樣出現(xiàn)了裂紋。對(duì)此，我們對(duì)P11材質(zhì)、焊接材料、焊接工藝等進(jìn)行了分析和反復(fù)試驗(yàn)，找到了出現(xiàn)試驗(yàn)裂紋的原因，并采取有效措施，保證了焊接工藝評(píng)定合格，并給現(xiàn)場(chǎng)焊接施工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，避免類似質(zhì)量問(wèn)題的重復(fù)出現(xiàn)。

2.裂紋分析

（1）裂紋形狀 裂紋出現(xiàn)在工藝評(píng)定焊接接頭彎曲試樣、拉伸試樣的焊縫內(nèi)部和熔合線附近（見(jiàn)圖1），熱影響區(qū)沒(méi)有出現(xiàn)彎曲裂紋。大部分呈縱向撕裂，造成焊接工藝評(píng)定不合格。經(jīng)用檢測(cè)尺測(cè)量，有四處裂紋長(zhǎng)度大于5mm，深度達(dá)到5mm，放大鏡觀察裂紋內(nèi)部，沒(méi)有金屬晶間撕裂痕跡，但有污物和未熔合跡象。我們調(diào)出試件RT拍片，看出焊縫內(nèi)部有明顯的條狀不規(guī)則缺陷，疑似夾渣、未熔合。

圖1 P11材料實(shí)芯焊絲熔化極MAG焊接工藝評(píng)定試件

（2）原因分析 P11材料管道在高溫下具有較高的熱強(qiáng)性（σb≥440MPa）和抗氧化性，并具有一定的抗氫腐蝕能力。由于鋼中有一定含量的Cr、C和其他合金元素，所以鋼材的淬硬傾向較明顯。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)Ceq＞0.4%時(shí)，焊接接頭淬硬傾向大，可能出現(xiàn)冷裂紋，而P11鋼的Ceq值約為0.545%，故淬硬傾向大，焊接性較差。

熔化極MAG焊絲采用國(guó)內(nèi)江蘇某公司生產(chǎn)的耐熱鋼實(shí)芯焊絲牌號(hào)MIG—1CM，焊絲化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1所示。從表1中看出，管材、焊材的成分基本相同，力學(xué)性能近似，只要嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)程施焊，應(yīng)該不是產(chǎn)生裂紋主要原因。

表1 P11管材、焊絲化學(xué)成分及力學(xué)性能（摘自SHT3520）

通過(guò)焊接工藝評(píng)定焊接時(shí)的監(jiān)控，焊工嚴(yán)格遵守指定的焊前預(yù)熱、層間溫度、焊接電流、電弧電壓等施焊工藝規(guī)程，焊后熱處理是在正規(guī)檢測(cè)公司進(jìn)行爐內(nèi)整體675℃×2h熱處理，也不是裂紋產(chǎn)生主要原因。

后經(jīng)認(rèn)真觀察和分析，國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的耐熱鋼牌號(hào)MIG—1CM焊絲，按照其說(shuō)明書，熔化極MAG焊接時(shí)保護(hù)氣體配比為（95%～98%）Ar+5%CO2。由于MIG—1CM實(shí)芯焊絲有一定含量的Cr等元素，本身熔池的熔深較淺，所以焊接時(shí)采用95%以上氬氣作為保護(hù)氣，易造成熔池表面張力增大，導(dǎo)致熔深更淺；同時(shí)電弧飛濺較大，容易聚集在熔池前方，稍不注意，就會(huì)造成夾渣、未熔合缺陷。

（3）裂紋缺陷的鑒定 最終得出初步結(jié)論：造成試件拉伸、彎曲試樣裂紋的原因是焊接保護(hù)氣配比不合理（主要為氬氣占保護(hù)氣體比例95%以上），造成熔池表面張力較大，導(dǎo)致熔深較淺，同時(shí)造成的飛濺堆積在熔池前方，焊工焊接時(shí)稍不注意，造成焊縫內(nèi)出現(xiàn)夾渣、未熔合缺陷，最終在拉伸、彎曲試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)超標(biāo)裂紋。

3.焊接材料的優(yōu)化選定

通過(guò)缺陷分析，我們首先對(duì)MIG—1CM實(shí)芯焊絲進(jìn)行了優(yōu)化選擇。焊材選用時(shí)對(duì)比化學(xué)成分和力學(xué)性能和母材相匹配，同時(shí)結(jié)合出現(xiàn)焊接工藝評(píng)定試件開(kāi)裂的原因，在采購(gòu)焊絲時(shí)，校對(duì)了焊絲說(shuō)明書保護(hù)氣體氬氣、CO2氣的配比。

從熔化極的氣體保護(hù)原理分析，氬氣作為碳鋼、低合金鋼熔化極氣體保護(hù)焊時(shí)，會(huì)造成熔池表面張力大、熔深淺等，氬氣中加入一定的O2或CO2可提高電弧的穩(wěn)定性，降低熔池的表面張力，使熔池液態(tài)金屬流動(dòng)性會(huì)得到改善，增強(qiáng)熔池表面的潤(rùn)濕性，減少咬邊缺陷。但如果保護(hù)氣中的CO2過(guò)多，焊接過(guò)程中CO2氣體高溫下分解CO+O，燒損材料里面的合金成分，也會(huì)造成飛濺較大。由于制作工藝的原因，國(guó)內(nèi)的耐熱鋼實(shí)芯焊絲基本都采用氣體比例為95% Ar+（2%～5%） CO2。

近幾年，國(guó)內(nèi)焊接材料制作工藝逐漸成熟，有效地克服了焊接過(guò)程中CO2氣體高溫下分解對(duì)焊縫化學(xué)成分的影響。經(jīng)過(guò)調(diào)研，國(guó)內(nèi)錦州某公司生產(chǎn)的φ1.2mmMIG—1CM 耐熱鋼焊絲，其推薦保護(hù)氣比例為80%Ar+20%CO2。其化學(xué)成分及力學(xué)性能如表2所示。由于保護(hù)氣體中CO2氣體比例增加到20%，可有效改善熔池表面張力大造成的熔深較淺的弊端，避免了因熔深淺而造成的未熔合和夾渣，所以可作為焊接工藝評(píng)定適用焊材。

表2 國(guó)內(nèi)錦州某公司產(chǎn)焊絲MIG—1CM化學(xué)成分及力學(xué)性能（摘自焊材說(shuō)明書）

4.焊接工藝實(shí)施

（1）焊前準(zhǔn)備 焊接管道規(guī)格為φ325mm×31mm，焊縫選擇管道5G位置，工藝為TIG打底焊，MAG焊填充蓋面。焊接采用標(biāo)準(zhǔn)60°坡口形式，將工件坡口及內(nèi)外壁兩側(cè)各50mm范圍的鐵銹、水、油污等清理干凈。為保證管口內(nèi)部成形美觀，管口組對(duì)采用“搭橋”方式點(diǎn)固，即采用四塊鐵塊對(duì)管口均勻分布固定點(diǎn)焊，這樣點(diǎn)固可以減少焊接接頭，降低焊縫間隙收縮量，并保證焊縫內(nèi)部質(zhì)量。點(diǎn)固時(shí)注意焊縫間隙，保持在3～4mm，如果間隙太小，容易出現(xiàn)未熔合、未焊透和夾渣等缺陷；間隙太大，則容易燒穿，出現(xiàn)焊肉下墜和氣孔缺陷。正式打底焊接時(shí)，橋接點(diǎn)固點(diǎn)采用砂輪機(jī)磨掉，點(diǎn)固示意如圖2所示。

圖2 焊縫采用鐵塊搭橋組對(duì)

（2）焊接過(guò)程 焊接前對(duì)焊工進(jìn)行認(rèn)真交底，分析焊接缺陷產(chǎn)生的原因及避免措施，并要求焊工嚴(yán)格按照工藝卡進(jìn)行操作。按照工藝要求焊縫預(yù)熱溫度150℃，焊接時(shí)層溫≥150℃，為防止中斷焊接而引起試件的降溫，施焊時(shí)不能停頓，由兩名焊工交替操作。第一層采用手工鎢極氬弧焊打底，為避免仰焊處焊縫背面產(chǎn)生凹陷，送絲時(shí)采用內(nèi)填絲法，即焊絲通過(guò)對(duì)口間隙從管內(nèi)送入。

熔化極MAG焊接時(shí)，焊槍角度保持垂直熔池90°，要根據(jù)管子軸線位置隨時(shí)調(diào)整，確保氣體對(duì)熔池有效保護(hù)，避免焊縫產(chǎn)生氣孔、夾渣等缺陷。干伸長(zhǎng)度保持在10～15mm，不宜太長(zhǎng)，否則會(huì)由于氣體保護(hù)不良出現(xiàn)氣孔。接頭必須打磨處理，焊接接頭時(shí)宜在修磨斜坡前方打火，等電弧穩(wěn)定后，拉到坡口處正式焊接。

整個(gè)坡口全部焊完后，立即用硅酸纖維氈將坡口包裹起來(lái)，以降低冷卻速度，防止產(chǎn)生馬氏體組織。熱處理的工藝為：升溫速度為200℃/h，升到（675±10）℃保溫120min，降溫速度100℃/h，降到300℃后空冷。其焊接參數(shù)如表3所示。

表3 參考焊接參數(shù)

5.焊接效果

試件完成焊接后，按JB4730《壓力容器無(wú)損檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行RT拍片、100%的超聲波探傷檢測(cè)，焊縫為合格Ⅰ級(jí)。沒(méi)有再出現(xiàn)未熔合、夾渣等缺陷，從基礎(chǔ)上排除了因焊接缺陷導(dǎo)致的力學(xué)性能不合格。

按NBT47014《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。彎曲、拉伸試驗(yàn)全部合格，沒(méi)有再次出現(xiàn)超標(biāo)裂紋等。硬度指標(biāo)為焊縫179HBW、熱影響區(qū)161HBW、母材152HBW， 拉伸試樣全部斷在母材，說(shuō)明焊縫的抗拉強(qiáng)度高于母材；彎曲試驗(yàn)全部合格，說(shuō)明焊縫的塑性較好，焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)合格。

6.結(jié)語(yǔ)

由于P11材料管道為含有Cr、Mo元素的耐熱鋼，焊接時(shí)要考慮高溫熔池對(duì)合金元素的燒損，所以一般選擇富氬MAG氣體保護(hù)焊接。P11材料管道采用實(shí)芯焊絲熔化極MAG焊接在公司應(yīng)用較少，通過(guò)本次焊接工藝評(píng)定暴露出的焊縫未熔合、未焊透缺陷，經(jīng)過(guò)原因分析，找到了缺陷產(chǎn)生原因，提出了避免此類缺陷產(chǎn)生的措施，為此項(xiàng)焊接技術(shù)今后在公司的推廣應(yīng)用打好了基礎(chǔ)。