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        SA335P91/10CrMo910異種鋼的焊接工藝研究

        2014-11-24 08:22:40中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力建設(shè)二公司朔州036011范如杞楊翠林
        金屬加工(熱加工) 2014年4期
        關(guān)鍵詞:焊口電弧焊氬弧焊

        中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力建設(shè)二公司(朔州 036011)范如杞 楊 慧 楊翠林

        1.概述

        在山西平朔發(fā)電有限責(zé)任公司2×300MW二期擴(kuò)建工程中,主蒸汽管道堵閥焊口材質(zhì)為SA335P91/10CrMo910,即M+P類異種鋼接頭,于2008年7月24日焊接完畢。本部件焊口采用本文所述的工藝方法焊接完畢后,外觀工藝優(yōu)良,無損檢驗(yàn)一次合格率100%,經(jīng)水壓試驗(yàn),焊口無泄漏。

        2.異種鋼的焊接性分析

        (1)SA335P91鋼與10CrMo910鋼簡(jiǎn)介 SA335P91鋼屬于馬氏體耐熱鋼(M),該鋼具有較高的高溫蠕變斷裂強(qiáng)度、低的熱膨脹性、良好的導(dǎo)熱性、較好的加工性和抗氧化性能,SA335P91鋼合金元素高、碳當(dāng)量高,因此該鋼材焊接時(shí)有強(qiáng)烈的淬硬傾向,冷裂紋敏感性強(qiáng)。加之SA335P91鋼用于大直徑、厚壁管,結(jié)構(gòu)剛性大,拘束應(yīng)力大,焊后冷卻過程接頭處組織應(yīng)力大也增加了冷裂傾向;10CrMo910作為珠光體耐熱鋼(P),其淬硬及冷裂傾向性較小,焊接性相對(duì)較好。

        (2)SA335P91與10CrMo910異種鋼的焊接性 由于SA335P91鋼和10CrMo910鋼的化學(xué)成分及熱性能差異較大,使碳和合金元素的相互擴(kuò)散極不均勻,從而導(dǎo)致了組織和性能的極不均勻,熔合區(qū)作為焊縫和母材的過渡地帶,也易在熔合線附近產(chǎn)生焊接缺陷。因此,SA335P91/10CrMo910異種鋼的焊接比同種鋼的焊接難度要大,要復(fù)雜的多,對(duì)焊工的操作要求也比較嚴(yán)格,必須采取合適的焊接工藝措施,以確保此類異種鋼焊接的質(zhì)量。

        3.焊接材料及焊接機(jī)具的選擇

        (1)采用ZX7—400STG型逆變弧焊機(jī),焊機(jī)電流大小穩(wěn)定,并能連續(xù)可調(diào);熱處理機(jī)型號(hào)為HLJW—C—360kW型;設(shè)備上附帶的儀表及氬氣表須在校驗(yàn)有效期內(nèi)。

        (2)氬弧焊用的鎢極、氬氣質(zhì)量應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)(或有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)),鈰鎢極φ2.5mm,在使用前應(yīng)將端部磨成圓錐形,氬氣的純度應(yīng)>99.95%。

        (3)選用上海電力修造廠生產(chǎn)的TIG—R40焊絲和R407焊條,規(guī)格為φ2.5mm、φ3.2mm;焊材須有廠家提供的質(zhì)量合格證;焊材應(yīng)存放在干燥、通風(fēng)良好、溫度>5℃且相對(duì)空氣濕度<60%的庫房?jī)?nèi);焊絲在使用前應(yīng)將其表面的水分、鐵銹、油污等清理干凈,并露出金屬光澤;焊條使用前應(yīng)按其說明書要求進(jìn)行烘焙,重復(fù)烘焙不得超過兩次;烘焙后的焊條使用時(shí),應(yīng)裝入溫度保持在80~110℃的專用保溫筒內(nèi),保溫筒應(yīng)插上電源,隨用隨取。

        (4)焊工應(yīng)配備扁鏟、榔頭、保溫筒、焊條筒、小手電及專用不銹鋼鋼絲刷等工器具,還應(yīng)配備電磨頭、小銼刀等。

        (5)氬氣表應(yīng)選用氣壓穩(wěn)定、調(diào)節(jié)靈活的表計(jì);輸送氬氣管應(yīng)質(zhì)地柔軟、耐磨且無漏氣現(xiàn)象。

        4.施工工藝流程及操作要點(diǎn)

        (1)施工工藝流程 施工準(zhǔn)備→焊前預(yù)熱→充氬→點(diǎn)焊及氬弧焊打底→焊條電弧焊填充蓋面→焊后熱處理。

        (2)操作要點(diǎn) 焊口組對(duì)要求:焊口組對(duì)時(shí),應(yīng)對(duì)坡口及其內(nèi)外壁附近15mm范圍內(nèi)進(jìn)行清理和打磨,無油漆、水分、油脂及鐵銹,并露出金屬光澤;坡口及附近不能有裂紋等缺陷(可用放大鏡檢查),施焊前還應(yīng)檢查坡口形狀、尺寸及清潔度;對(duì)焊管口端面應(yīng)與管子中心線垂直,其偏斜度不超過DL/T869—2004的規(guī)定要求;焊件組裝時(shí),一般應(yīng)做到內(nèi)壁齊平,如有錯(cuò)口,其錯(cuò)口值≤1mm;焊口局部間隙過大時(shí),應(yīng)設(shè)法修整到規(guī)定尺寸,嚴(yán)禁在間隙內(nèi)加填塞物,可采用堆焊的方法修補(bǔ)坡口;焊接組裝時(shí),應(yīng)將待焊工件墊置牢固,以防止在焊接過程中產(chǎn)生變形和附加應(yīng)力。

        充氬:為防止焊縫根部氧化,焊前應(yīng)在管內(nèi)充氬保護(hù)。充氬時(shí)用可溶紙折疊成圓錐狀,圓錐底面直徑應(yīng)比鋼管內(nèi)徑大10mm左右,以坡口軸向中心為基礎(chǔ),每側(cè)300~400mm的位置。為確保充氬質(zhì)量,可溶紙應(yīng)加裝兩層,并用漿糊粘住,做成密封氣室。然后將扁管插入焊縫內(nèi),充氬流量為20~30L/min,整個(gè)焊縫可用膠條或保溫條堵嚴(yán),焊一段撥開一段。向內(nèi)充氬時(shí),應(yīng)在感覺氬氣從焊縫間隙輕微返出時(shí),方可焊接(見圖1)。也可用打火機(jī)測(cè)試氬氣是否充滿。

        圖1 坡口充氬

        (3)點(diǎn)焊及氬弧焊打底 嚴(yán)禁在被焊工件表面引燃電弧、試驗(yàn)電流或隨意焊接臨時(shí)支撐物,高合金材料表面不得焊接對(duì)口用夾具。

        進(jìn)行點(diǎn)焊時(shí)新用的焊接材料、焊接工藝應(yīng)同正式施焊時(shí)相同,點(diǎn)焊必須由焊工本人進(jìn)行,嚴(yán)禁非專業(yè)人員代替。定位焊縫應(yīng)以15~20mm為宜,厚度≤3mm,定位焊數(shù)量≥4點(diǎn)。定位焊完畢后一定要檢查有無錯(cuò)口,對(duì)口間隙是否合適,定位焊縫有無缺陷,如有必須將缺陷磨掉重新定位。點(diǎn)焊完畢,應(yīng)及時(shí)進(jìn)行打底焊,打底焊接時(shí)不允許采用將缺陷部位重新熔化的方法來消除缺陷,打底時(shí)送絲一定要均勻,不能靠送絲的力量來突出根部,避免造成根部焊絲未熔夾絲。

        氬弧焊打底時(shí)焊前預(yù)熱溫度為180~200℃,而焊條電弧焊時(shí)預(yù)熱溫度為200~300℃,這樣當(dāng)由氬弧焊轉(zhuǎn)為焊條電弧焊時(shí),中間必須進(jìn)行再次升溫。SA335P91鋼是一種高合金鋼,其異質(zhì)接頭焊接時(shí)背面也必須進(jìn)行充氬保護(hù),考慮到打底及次層焊接時(shí)均可能造成背面氧化,均需要進(jìn)行充氬保護(hù);做一層氬弧焊打底時(shí),焊縫強(qiáng)度不夠,在外力作用下容易產(chǎn)生裂紋?;谏鲜鰞煞N因素的考慮,選擇了雙打底工藝,這樣既確保了充氬的連續(xù)性,也保證了焊縫的強(qiáng)度。

        管子焊接時(shí)管內(nèi)不得有穿堂風(fēng),氬弧焊打底的焊層厚度≥3mm。采用氬弧焊打底的根層焊縫檢查合格后,應(yīng)及時(shí)進(jìn)行次層焊縫的焊接,以防止產(chǎn)生裂紋。氬弧焊打底的焊接參數(shù)如表1所示。

        表1 氬弧焊焊接參數(shù)

        層間溫度控制在200~300℃。為確保焊接過程中的層間溫度,尤其是防止冬季施工焊口溫度下降太快,應(yīng)利用遠(yuǎn)紅外加熱器進(jìn)行全程溫度控制,在焊口兩邊包好履帶加熱器,以便及時(shí)升溫。采用兩根K型熱電偶作為溫度控制元件來監(jiān)控測(cè)溫。熱電偶應(yīng)在橫焊口對(duì)稱布置,吊焊口為上下布置。用鉛絲緊固于坡口管材表面距坡口25mm處,每支熱電偶采用1路控溫加熱線路,熱電偶布置如圖2所示。另外由質(zhì)檢員手持紅外線測(cè)溫槍對(duì)每層的層間溫度進(jìn)行測(cè)量,發(fā)現(xiàn)溫度超出規(guī)定要求,及時(shí)通知焊工停止施焊,待層間溫度達(dá)到規(guī)定要求后再施焊。

        圖2 熱電偶布置

        (4)焊條電弧焊填充蓋面 打底完成后,將預(yù)熱溫度升至200~300℃,可以開始焊條電弧焊。焊接過程中必須嚴(yán)格控制焊接熱輸入,要求焊接熱輸入值<30kJ/cm。這就要求操作中的焊層厚度、焊接速度、焊縫擺動(dòng)寬度均較為嚴(yán)格。焊接時(shí),單層焊道厚度不能超過焊條直徑,焊道寬度不超過焊條直徑的4倍。具體焊接參數(shù)如表2所示。

        表2 焊條電弧焊填充蓋面焊接參數(shù)

        由于SA335P91材質(zhì)的鐵液流動(dòng)性差,容易產(chǎn)生夾渣、層間未熔合等缺陷,因此加強(qiáng)層間焊渣的清理至關(guān)重要。層間焊縫的清理應(yīng)采用機(jī)械打磨的方式,用角磨機(jī)或不銹鋼鋼絲刷徹底清理焊渣及飛濺,特別是焊縫接頭處和坡口邊緣處,層間焊縫清理干凈后方可進(jìn)行次層焊縫的焊接。

        層間接頭應(yīng)相互錯(cuò)開,為便于層間接頭的熔合良好,可用砂輪機(jī)在焊縫接頭處打磨出斜坡,起弧和?;r(shí)均將電弧引在坡口內(nèi)壁上,收弧時(shí)減慢焊接速度,增加填絲,將弧坑填滿。

        5.焊后熱處理及焊后檢測(cè)

        (1)異種鋼焊接過程溫度曲線 如圖3所示。

        圖3 SA335P91/10CrMo910異種鋼焊接過程溫度曲線

        (2)焊后熱處理 熱處理溫度:720~750℃;熱處理恒溫時(shí)間:≥4h;升降溫速度:6250/δ且≤150℃;焊后溫度冷卻至100~120℃時(shí),應(yīng)立即進(jìn)行至少1h的恒溫處理,以確保馬氏體轉(zhuǎn)變完成,降溫過程中,溫度在300℃以下可不再控制。

        (3)加熱寬度 從焊縫中心算起,每側(cè)不小于管子壁厚的3倍,且≥60mm。

        (4)加熱方法 應(yīng)力求管道內(nèi)外壁和焊縫兩側(cè)溫度均勻,恒溫時(shí)在加熱范圍內(nèi)任意兩側(cè)點(diǎn)間的溫度差應(yīng)<50℃。

        (5)保溫寬度 熱處理時(shí)的保溫寬度從焊縫中心算起,每側(cè)不得小于管子壁厚的5倍,且每側(cè)應(yīng)比加熱器的安裝寬度增加≥100mm。

        (6)焊后檢測(cè) 焊后焊接接頭無損檢測(cè)一次合格率為100%。焊接接頭熱處理完畢做100%硬度測(cè)定,焊縫硬度平均值為180~270HBW,硬度值符合標(biāo)準(zhǔn)。做焊縫及兩側(cè)熱影響區(qū)的金相微觀測(cè)定:10CrMo910側(cè)熱影響區(qū)組織為粒狀貝氏體,焊縫區(qū)為柱狀晶分布的粒狀貝氏體,SA335P91側(cè)熱影響區(qū)組織為回火索氏體+少量粒狀貝氏體,且組織性能良好,如圖4所示。

        圖4

        6.結(jié)語

        對(duì)SA335P91/10CrMo910異種鋼的焊接,通過選用低匹配的焊條(焊絲),焊接預(yù)熱,在焊接過程中嚴(yán)格控制層間溫度,選用合適的焊接工藝,焊接后高溫過熱器出口聯(lián)箱與主蒸汽管道連接過渡段焊縫外觀質(zhì)量?jī)?yōu)良,無損檢測(cè)、硬度檢驗(yàn)及焊縫的力學(xué)性能都符合要求,金相組織性能良好,取得了令人滿意的效果。

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