楊海東，李世霞

（1.嘉峪關(guān)宏晟電熱責(zé)任有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100；2.甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

馬氏體耐熱鋼被廣泛用于火電廠發(fā)電機(jī)組主蒸汽管道、耐熱器管道等超臨界運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組。常用于發(fā)電機(jī)組主蒸汽管道的馬氏體耐熱鋼有SA-335P91/SA-213T91，SA-335P91化學(xué)成分間表1[1]，其中WCr=8%～9.5%，合金成分含量高，然而在發(fā)電機(jī)組初建以及在后續(xù)運(yùn)行過(guò)程中壁厚減薄，焊口數(shù)量多，焊接性差，焊接過(guò)程過(guò)程中易產(chǎn)生冷裂紋、熱裂紋等焊接缺陷。

表1 SA-335P91鋼材的化學(xué)成分

1 焊接性分析

1.1 焊口位置

350MW超臨界發(fā)電機(jī)組高溫過(guò)熱器集箱手孔材質(zhì)均為SA-335P91，規(guī)格為φ133×25mm，共有手孔3個(gè)（如圖1）。

圖1 高溫過(guò)熱器手孔圖

1.2 SA-335P91焊接性分析

SA-335P91是一種新型高強(qiáng)度馬氏體耐熱鋼，在制造過(guò)程中通過(guò)控制軋制冷卻速度來(lái)控制其組織的形態(tài)，從而細(xì)化晶粒和強(qiáng)化鋼材，尤其Cr的含量達(dá)到8%以上，具有良好的熱強(qiáng)性和高溫抗氧化性。這種高合金化也給焊接過(guò)程帶來(lái)許多焊接問(wèn)題，下面就SA-335P91焊接過(guò)程中易出現(xiàn)的焊接問(wèn)題進(jìn)行分析。

1.2.1 焊接冷裂紋的傾向較大

新型馬氏體耐熱鋼一般通過(guò)控軋控冷工藝制造，在焊接過(guò)程中，焊縫金屬?zèng)]有這種控軋控冷的機(jī)會(huì)，很難通過(guò)細(xì)晶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化來(lái)改善焊接接頭的性能，焊接過(guò)程中產(chǎn)生脆硬組織的可能性大，焊接應(yīng)力大，因此產(chǎn)生冷裂紋的傾向較大。

1.2.2 焊接接頭的脆化

在焊接過(guò)程中產(chǎn)生接頭脆化的主要原因是焊接過(guò)程中熱輸入過(guò)大，在大的熱輸入下，合金元素融入奧氏體晶粒內(nèi)，由于加熱過(guò)程中過(guò)熱度大，引起奧氏體組織的粗化。焊縫焊后冷卻過(guò)程冷卻速度快，合金元素來(lái)不及析出，引起馬氏體組織粗化，形成針狀馬氏體，脆性很大，從而降低接頭的韌性，因此在焊接過(guò)程中盡量減小焊接熱輸入，采用較低的焊接線能量[2]。

1.2.3 熱影響區(qū)還可能出現(xiàn)軟化

由于馬氏體耐熱鋼的供貨狀態(tài)是淬火+高溫回火即調(diào)質(zhì)處理的鋼[3]。焊接過(guò)程中焊接熱影響區(qū)受到再次加熱的過(guò)程，熱影響區(qū)溫度在AC1以下，相當(dāng)于經(jīng)歷了一次回火處理，熱影響區(qū)硬度會(huì)有所下降，在細(xì)晶熱影響區(qū)和臨界熱影響區(qū)將會(huì)產(chǎn)生軟化現(xiàn)象。焊接時(shí)，細(xì)晶熱影響區(qū)所經(jīng)受的溫度稍高于AC3，臨界熱影響區(qū)所經(jīng)受的溫度在AC1～AC3之間，處于這一溫度區(qū)間的金屬發(fā)生部分奧氏體化，沉淀強(qiáng)化相在這一過(guò)程中不能夠完全溶解在奧氏體中，在隨后的熱過(guò)程中未溶解的沉淀相發(fā)生粗化，造成這一區(qū)域的強(qiáng)度降低。軟化和強(qiáng)度降低對(duì)短時(shí)高溫拉伸強(qiáng)度影響不會(huì)太大，但會(huì)降低持久強(qiáng)度，管道在長(zhǎng)期高溫運(yùn)行過(guò)程中，在軟化區(qū)稱(chēng)為薄弱部位，有可能會(huì)產(chǎn)生裂紋，其中焊接熱輸入對(duì)軟化的影響最大，因此在焊接過(guò)程中要控制焊接熱輸入，采用小的焊接熱輸入，來(lái)控制焊接熱影響區(qū)的溫度，從而控制軟化區(qū)的寬度。

1.2.4 焊接冷裂紋

SA-335P91是一種新型高強(qiáng)度馬氏體耐熱鋼，由于合金含量高，有效提高其淬透性，在焊接過(guò)程中極易形成馬氏體組織，如果焊接熱輸入大，形成針狀馬氏體組織。同時(shí)焊接過(guò)程是不均勻受熱的過(guò)程，這種不均勻程度越嚴(yán)重，近縫區(qū)所受的拉應(yīng)力也越大，在拉應(yīng)力作用下，淬硬馬氏體組織焊后極易產(chǎn)生冷裂紋。因此在焊接過(guò)程中要降低焊接應(yīng)力，降低馬氏體組織的脆性，焊接過(guò)程中可以采取預(yù)熱，焊后采取多次高溫回火，消除淬硬組織，防止冷裂紋的產(chǎn)生。

2 SA-335P91焊接工藝要點(diǎn)

2.1 焊前準(zhǔn)備

（1）由于SA-335P91是一種新型高強(qiáng)度馬氏體耐熱鋼，如果采用熱切割制備坡口，在坡口邊緣易產(chǎn)生硬化組織，因此采用機(jī)械冷加工方法進(jìn)行。按照下圖（圖2）所標(biāo)注的尺寸要求進(jìn)行坡口制作和對(duì)口工作。

圖2 坡口加工尺寸示意圖

（2）偏斜度：管口對(duì)接要保證端面與中心線垂直，偏斜度△f控制在1mm之內(nèi)。

（3）錯(cuò)口值：管口對(duì)接避免錯(cuò)口，內(nèi)壁平直對(duì)齊，錯(cuò)口值控制在壁厚的10%以內(nèi)，且≤1mm。

（4）坡口兩側(cè)15mm～20mm范圍內(nèi)的油污、氧化膜等污物用機(jī)械清理方法將其打磨干凈，漏出金屬光澤。

2.2 焊接工機(jī)具檢查

焊前要做好對(duì)焊接工裝機(jī)具的檢查工作，確保焊接過(guò)程的順利進(jìn)行，保證氬弧焊槍瓷套咀的同心度、導(dǎo)電嘴及鎢極夾頭的完好性，焊槍的氣密性等，檢查氬氣膠管有無(wú)破損漏氣，氬氣表的氣密性；保證電焊機(jī)電流電壓的穩(wěn)定性，可調(diào)節(jié)性完好性等。

2.3 焊材準(zhǔn)備

焊絲使用前，檢查是否有生銹、油污現(xiàn)象，如果焊絲表面有污物采用砂紙等方法將表面的鐵銹、油污、氧化膜清理干凈，并露出金屬光澤；焊條在使用前，應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行烘干，烘干溫度350℃～400℃溫度烘培1小時(shí)，使用過(guò)程中裝載專(zhuān)用保溫桶內(nèi)，隨用隨取。

2.4 氬氣要求

焊接用的氬氣質(zhì)量應(yīng)符合GB/T4872的規(guī)定，并應(yīng)有出廠合格證，且氬氣純度不低于99.95%，在焊接過(guò)程中當(dāng)瓶余壓為0.5MPa時(shí)應(yīng)停止使用。

2.5 充氬裝置

氬氣純度要求99.99%,為了保證背面焊縫不被氧化，要求背面充氬，雙面保護(hù)，因此制作密閉空間進(jìn)行背面充氬，開(kāi)焊前根據(jù)管徑，制作并安裝下圖（圖3）所示的專(zhuān)用充氬工具。（或選用可溶性紙板封堵）。

圖3 坡口充氬示意圖

充氬保護(hù)：

SA-335P91鋼焊接過(guò)程中極易被氧化，因此要加強(qiáng)保護(hù)，為防止焊縫根部氧化，采用GTAW打底焊時(shí)，對(duì)焊縫背面充氬保護(hù)。充氬保護(hù)范圍以坡口軸中心為基礎(chǔ)，每側(cè)各大于或等于200mm處，采用充氬彎管從坡口間隙充氬，氬氣流量控制在9～15L/min。

2.6 對(duì)口點(diǎn)固焊

（1）SA-335P91鋼點(diǎn)固時(shí)，宜將“定位塊”點(diǎn)固在坡口內(nèi)（圖4）每道焊縫點(diǎn)固不少于3點(diǎn)，均勻分布?！岸ㄎ粔K”應(yīng)選用含碳量小于0.25%低碳鋼材料（如16Mn、Q235），點(diǎn)固定位焊采用的焊接材料及焊接工藝與正式焊接時(shí)相同。

圖4 定位塊示意圖

（2）點(diǎn)固焊及正常施焊過(guò)程中不得在管子表面引弧或試驗(yàn)電流[4]。

2.7 焊接材料及工藝選擇

與焊接常規(guī)合金一樣，除了選用堿性低氫型、焊接工藝性能良好的焊接材料外，還要注意保證焊接接頭的沖擊韌性。因此，在控制預(yù)熱溫度和層間溫度時(shí)，須保證溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

（1）預(yù)熱溫度為150℃～200℃，層間溫度控制在200℃～250℃；焊后為了使焊縫金屬組織徹底轉(zhuǎn)變而不致產(chǎn)生裂紋。須將溫度控制在小于80℃～100℃范圍內(nèi)。

（2）焊接材料選用AWS A5.28ER90S-B9；AWS A5.5E9015-B9的主要化學(xué)成份見(jiàn)下表。

表2 焊絲AWS A5.28 ER90S-B9

表3 焊條AWS A5.5 E9015-B9

2.8 SA-335P91鋼焊接工藝流程

機(jī)具準(zhǔn)備——坡口清理——做氣室——預(yù)熱——對(duì)口——充氬裝置放入——點(diǎn)固——?dú)寤『浮娀『福▽娱g溫度控制）——冷卻恒溫——熱處理——無(wú)損檢驗(yàn)。

3 焊接

為了保證焊縫背面質(zhì)量，采用GTAW打底焊接，并且采用打底兩層，主要是防止進(jìn)行焊條電弧焊焊接時(shí)打底層被燒穿。

3.1 焊接過(guò)程中注意事項(xiàng)

（1）SA-335P91鋼屬于高合金鋼，由于合金含量高，導(dǎo)致熔池鐵水在焊接過(guò)程中流動(dòng)性差，根部焊縫容易易氧化燒焦，為了保證根部焊縫質(zhì)量，根部進(jìn)行充氬保護(hù)。打底焊的好壞關(guān)鍵在充氬的質(zhì)量，焊前采用打火機(jī)在坡口內(nèi)打火進(jìn)行檢驗(yàn)，若“點(diǎn)不著火”則證明充氬合格。

（2）向內(nèi)充氬后，保證充氬充分，如果能感覺(jué)到氬氣從焊縫間隙中輕微溢出，說(shuō)明充氬充分。焊接過(guò)程中整個(gè)焊口用保溫綿進(jìn)行堵實(shí)，焊接一段撥開(kāi)一段，逐段進(jìn)行焊接。

（3）打底時(shí)，鐵水流動(dòng)性差，濕潤(rùn)性不好，所以熔孔不可開(kāi)得過(guò)大。送絲要均勻。避免出現(xiàn)根部焊縫出現(xiàn)未溶化的焊絲頭（生絲）現(xiàn)象。熔滴過(guò)渡采用自由過(guò)渡，收弧時(shí)把焊接電流衰減下來(lái)，填滿弧坑后移向坡口邊沿收弧，防止產(chǎn)生弧坑裂紋。

（4）焊接過(guò)程中，為了避免焊接過(guò)程中變形，采用定位塊，焊接至“定位塊”處時(shí)，采用角磨機(jī)將“定位塊”去除，并將焊點(diǎn)處用砂輪機(jī)打磨掉，不得留有疤痕和痕跡，確認(rèn)無(wú)裂紋等缺陷時(shí)方可繼續(xù)施焊。

3.2 SMAW填充和蓋面焊接

（1）焊條電弧焊填充時(shí)，由于打底層焊道較薄，因此在進(jìn)行第一道填充焊時(shí)，采用小電流焊接，避免擊穿打底層焊縫。

（2）每一根焊條焊接結(jié)束后，要注意填滿弧坑，防止在弧坑處沒(méi)有足夠的液態(tài)金屬補(bǔ)償產(chǎn)生弧坑裂紋。

（3）多層多道焊注意將每層清理干凈再焊下一層，清理可以采用鋸條或者砂輪打磨清理，不得用手錘重?fù)艉傅馈?/p>

（4）多層多道焊時(shí)，層間必須嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)。層間溫度不得超過(guò)200℃～250℃，減少層間熱輸入，避免出現(xiàn)過(guò)熱組織。

（5）采用多層多道焊（焊道排列見(jiàn)圖5），焊層厚度應(yīng)小于焊條直徑，焊道寬度應(yīng)不超過(guò)焊條直徑3倍為宜。

圖5 焊道排列圖

3.3 工藝參數(shù)

在保證熔化和焊接的前提下，采用較小焊接電流，低熱輸入的焊接參數(shù)，以薄的焊層厚度、窄的焊道擺動(dòng)寬度等工藝措施，焊接工藝參數(shù)如表4所示。

表4 SA-335P91焊接工藝參數(shù)

4 焊后熱處理

焊后采用柔性陶瓷電阻遠(yuǎn)紅外加熱帶，微機(jī)自動(dòng)控制儀按設(shè)定程序控溫，自動(dòng)記錄。應(yīng)將焊縫冷卻到80℃～100℃保持1h～2h，進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變，再升溫進(jìn)行熱處。熱處理溫度為（760±10）℃，升、降溫速度應(yīng)小于或等于150℃/h.恒溫時(shí)間按壁厚每25mm1h計(jì)算，且不小于4h。（熱處理工藝如圖6所示），測(cè)溫裝置（熱電偶）應(yīng)對(duì)稱(chēng)，且不能少于兩只。進(jìn)行熱處理時(shí)管內(nèi)不得有穿堂風(fēng)、積水或蒸汽。

圖6 熱處理工藝

5 檢驗(yàn)

通過(guò)對(duì)熱處理后焊縫硬度的檢測(cè)，焊縫硬度在185HB～250HB，符合焊縫硬度要求。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)超臨界機(jī)組鍋爐高溫過(guò)熱器集箱手孔堵SA-335P91φ133×25mm的焊接、熱處理、檢驗(yàn)等工藝，認(rèn)為此工藝是正確的、可行的，為下一階段編制SA-335P91焊接工藝任務(wù)書(shū)及評(píng)定方案有了可靠的理論依據(jù)，對(duì)今后對(duì)這類(lèi)鋼的焊接工作研究具有重要的指導(dǎo)性意義。