摘要：通過對T91鋼多種焊接方法試驗(yàn)研究，采用藥芯焊絲打底實(shí)芯焊絲填充、蓋面的鎢極氬弧焊工藝和相應(yīng)的熱處理工藝有效地解決了爐內(nèi)管焊接充氬保護(hù)的困難，適應(yīng)現(xiàn)場施工條件，獲得綜合性能良好的焊接接頭。
關(guān)鍵詞：T91鋼；焊接；熱處理；力學(xué)性能

一、前言

T91鋼(SA213-T91)作為大型發(fā)電鍋爐過熱器、再熱器的新型鋼種，日趨成熟，目前被各國廣泛采用。近年來，我國隨著國外機(jī)組的引進(jìn)，帶動(dòng)了原有鍋爐用鋼的替代步伐。為找出一個(gè)更適合現(xiàn)場應(yīng)用的合理工藝，以指導(dǎo)焊工培訓(xùn)和規(guī)范現(xiàn)場施焊，我們進(jìn)行了T91鋼(SA213-T91)焊接工藝的研究。

我們通過十四套焊接工藝設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)對比，篩選出了以藥芯焊絲作為打底材料，實(shí)芯焊絲作為填充及蓋面材料的氬弧焊焊接工藝，表現(xiàn)了很強(qiáng)的實(shí)用性，較好的性能指標(biāo)。

二、試驗(yàn)研究的技術(shù)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)

T91鋼基本化學(xué)成分如表1,性能基本要求如表2。

表1　T91鋼化學(xué)成分(%)(GB5310-95)
C Si Mn P S Cr Mo Ni Nb V AL N
0.08～0.12 0.20～0.50 0.30～0.60 ≤0.02 ≤0.01 8.0～9.50 0.85～1.05 ≤0.40 0.06～0.10 0.18～0.25 ≤0.04 0.03～0.07

表2　T91鋼性能指標(biāo)(來自T91/P91鋼管焊接工藝暫行規(guī)定)
抗拉強(qiáng)度(Mpa) 屈服強(qiáng)度(Mpa) 延伸率(%) 彎曲角(°) 沖擊韌性(J/cm2) 硬度HB
≥585 ≥415 ≥20 ≥50 ≥68 ≤250

三、設(shè)計(jì)方案

本次試驗(yàn)研究，我們根據(jù)焊接材料、焊接方法、熱處理方
式、熱處理時(shí)間的不同組合方式進(jìn)行了14種組合試驗(yàn)見表3，焊接熱處理規(guī)范曲線見圖1。

表3　焊材、焊接方法、熱處理方式組合方案
序號 材料組合 焊接方法 焊接位置 層次 熱處理方　式 熱 處 理時(shí)間(h) 內(nèi)壁保護(hù)方式
1 藥芯焊絲打底藥芯焊絲蓋面 Ws 5G 2 箱式爐 1 熔渣
2 藥芯焊絲打底實(shí)芯焊絲蓋面 Ws 5G 2 箱式爐 1 熔渣
3 藥芯焊絲打底電焊條蓋面 Ws/Ds 5G 2 箱式爐 1 熔渣
4 實(shí)芯焊絲打底實(shí)芯焊絲蓋面 Ws 5G 2 箱式爐 1 充氬
5 實(shí)芯焊絲打底電焊條蓋面 Ws/Ds 5G 2 箱式爐 1 充氬
6 藥芯焊絲打底實(shí)芯焊絲填充、蓋面 Ws 2G 3 火焰 0.5 熔渣
7 藥芯焊絲打底實(shí)芯焊絲蓋面 Ws 5G 2 火焰 0.5 熔渣
8 藥芯焊絲打底實(shí)芯焊絲蓋面 Ws 2G 2 火焰 0.5 熔渣
9 藥芯焊絲打底實(shí)芯焊絲填充、蓋面 Ws 5G 3 火焰 0.5 熔渣
10 藥芯焊絲打底實(shí)芯焊絲填充、蓋面 Ws 5G 3 遠(yuǎn)紅外 1 熔渣
11 藥芯焊絲打底實(shí)芯焊絲填充、蓋面 Ws 5G 3 遠(yuǎn)紅外 2 熔渣
12 藥芯焊絲打底電焊條填充、蓋面 Ws/Ds 5G 3 遠(yuǎn)紅外 2 熔渣
13 藥芯焊絲打底實(shí)芯焊絲填充、蓋面 Ws 5G 3 遠(yuǎn)紅外 4 熔渣
14 藥芯焊絲打底實(shí)芯焊絲填充、蓋面 Ws 5G 3 遠(yuǎn)紅外 4 熔渣

圖1　焊接熱處理規(guī)范曲線

四、焊前準(zhǔn)備

1. 試驗(yàn)所用T91鋼材、藥芯焊絲及實(shí)芯焊絲化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)。

T91鋼材、藥芯焊絲及實(shí)芯焊絲化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)見表4

表4　T91鋼材、藥芯焊絲及實(shí)芯焊絲化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)
鋼材或焊材型(牌)號、規(guī)格 C Ni Si Mn P S Mo Cr V
T91φ42×6 0.08 / 0.30 0.41 0.017 0.004 1.02 8.36 0.78
TGS-9cbφ2.4 0.08 0.74 0.13 1.01 0.007 0.007 0.88 9.06 0.18
YR91Wφ2.5 0.08 0.81 0.52 0.575 0.017 0.012 1.05 9.50 0.258
注：⑴T91鋼復(fù)驗(yàn)由河北省冶金研究所試驗(yàn)并出具報(bào)告
⑵YR91W焊絲化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)由焊絲生產(chǎn)單位,河北省電力試驗(yàn)研究所提供。
⑶TGS-9cb焊絲化學(xué)成分生產(chǎn)廠家材質(zhì)單提供。

2．了解藥芯焊絲力學(xué)性能：

藥芯焊絲力學(xué)性能見表5

表5　藥芯焊絲力學(xué)性能指標(biāo)(760℃×2小時(shí))
試驗(yàn)項(xiàng)目 σs(Mpa) σb(Mpa) δ5(%)
保 證 值 ≥415 ≥585 ≥17
注：本表數(shù)據(jù)由原生產(chǎn)廠材質(zhì)證明提供。

3．焊接操作人員：

由持證合格焊工施焊，為減少焊接過程中人為因素影響，所有試件均由一人施焊，焊接過程嚴(yán)格執(zhí)行焊接規(guī)范參數(shù),由專人進(jìn)行全過程記錄。

4.電焊機(jī)及工器具：

電焊機(jī)采用性能穩(wěn)定,工藝性能良好的逆變焊機(jī)，工器具合格。見表6。

表6 電焊機(jī)及工器具表
焊機(jī)型號 焊槍型號 流量計(jì)型號
IGBT-ZX7-500 QQ-85/150 L-30

5.焊接測量儀器：

焊接測量儀器經(jīng)檢查合格。見表7

表7　焊接測量儀器
名　　 稱 型　 號 功　　 能
焊接參數(shù)記錄儀 MHJ 記錄焊接參數(shù)
紅外測溫儀 ST80 測量予熱溫度、層間溫度
秒　　表 E7-2 手工計(jì)時(shí)
溫濕度表 JWS-A1 環(huán)境測量

6.試件規(guī)格及坡口尺寸：

圖2使用藥芯焊絲、實(shí)芯焊絲打底試件坡口尺寸

⑴試件坡口尺寸見(圖2)
⑵試件規(guī)格：φ42×6×100
⑶試件坡口角度：藥芯焊絲27°±0.5 實(shí)芯焊絲30°±0.5
⑷試件清理：試件坡口清潔無污物，露出金屬光澤，內(nèi)外壁
10-20mm范圍內(nèi)磨光機(jī)打磨鐵銹、污物，露出金屬光澤。
⑸試件對口間隙：藥芯焊絲施焊時(shí)對口間隙2.6～2.8mm
實(shí)芯焊絲施焊時(shí)，對口間隙2.3～2.5mm。
⑹所用焊絲使用前清除油銹、污物，露出金屬光澤。
⑺所用焊條使用前經(jīng)350℃恒溫2小時(shí)烘干。
⑻錯(cuò)邊量：小于0.5mm。
⑼角變形：小于2°

五、施焊過程

為保證施焊過程操作規(guī)范，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，事先對所有焊接設(shè)備測量儀器進(jìn)行調(diào)試、修驗(yàn)，焊工進(jìn)行模擬練習(xí)，制作焊接記錄表，進(jìn)行人員分工，焊接人員、測試人員、記錄人員，輔助人員，各負(fù)其責(zé)，互相配合，保證施焊過程記錄準(zhǔn)確、完整。

六、試驗(yàn)項(xiàng)目

根據(jù)SD 340-89《焊接工藝評定規(guī)程》的要求及試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的內(nèi)容，試驗(yàn)項(xiàng)目及對比內(nèi)容見表8、表9。

表8　試驗(yàn)項(xiàng)目
接頭型式 外觀檢查 無損探傷 斷口檢驗(yàn) 機(jī)械性能
射線 拉伸 面彎 背彎 沖擊 硬度
對接 要求 要求 要求 要求 要求 要求 要求 要求
表9　對比項(xiàng)目及內(nèi)容
項(xiàng)　　 目 試驗(yàn)及比較內(nèi)容
焊接方法及材料組合 /
焊 接 工 藝 操作難易程度、焊工技術(shù)要求、輔助工藝
熱　處　 理 方式、適應(yīng)性、操作難度、使用效果。
熱 處理時(shí)間 比較效果
檢　　 驗(yàn) 外觀檢查、X光透照、斷口檢查
性　　 能 拉伸、沖擊、彎曲、硬度
金　　 相 焊縫及熱影響區(qū)組織

七、試驗(yàn)分析

1.焊接方法及材料組合分析

焊接方法及焊接材料的組合，是進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)的主要內(nèi)容，組合方案直接影響試驗(yàn)結(jié)果。具體分析如下：

(1)實(shí)芯焊絲打底，管內(nèi)充氬解決焊縫內(nèi)側(cè)氧化問題的焊接工藝為國內(nèi)大多數(shù)單位所選擇。但此方案施焊過程中，特別是電廠檢修過程中，充氬工藝復(fù)雜，封堵困難，充氬量大，且質(zhì)量難以穩(wěn)定，受環(huán)境制約較多，輔助工作量大。
(2)全藥芯焊絲打底、填充、蓋面，速度慢，層數(shù)多，清渣量大，易夾渣，效率低，操作技術(shù)要求相對高。
(3)電焊蓋面(包括實(shí)芯焊絲打底和藥芯焊絲打底)，蓋面時(shí)需要倒換極性，打底層正接、電焊條填充蓋面須反接。檢修現(xiàn)場狹窄，焊機(jī)難以在操作現(xiàn)場近前調(diào)整電流，倒換極性操作繁雜、耗時(shí)、費(fèi)力且小徑管電焊條蓋面操作困難，技術(shù)要求高，質(zhì)量難以保證。
(4)藥芯焊絲打底實(shí)芯焊絲蓋面，既解決了充氬困難的問題，不用倒極性，底層清渣量較小，比藥芯焊絲填充快，操作較易的優(yōu)點(diǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定。

2.焊接工藝

焊接工藝是焊接技術(shù)的核心，焊接工藝的好壞直接影響焊接質(zhì)量的優(yōu)劣，焊接工藝參數(shù)見表9

表9　焊接工藝參數(shù)
序號 材料組合 焊接電流(A) 焊接時(shí)間 層次 極性 輔助工藝 備注
1 藥芯焊絲打底藥芯焊絲蓋面 86～90 13′20″～15′18″ 3 正接 清渣3次 焊接時(shí)間不包括清渣
2 藥芯焊絲打底實(shí)芯焊絲蓋面 86～90100～104 10′20″～11′17″ 3 正接 清渣1次 焊接時(shí)間不包括清渣
3 藥芯焊絲打底電焊條蓋面 85～8960～80 6′59″～7′21″ 3 正反 清渣3次 焊接時(shí)間不包括清渣
4 實(shí)芯焊絲打底實(shí)芯焊絲蓋面 100～104 8′36″～10′26″ 3 正接 充氬
5 實(shí)芯焊絲打底電焊條蓋面 100～10460～80 6′14″～6′47″ 3 正反 充氬清渣3次 焊接時(shí)間不包括清渣

從焊接工藝講，藥芯焊絲打底實(shí)芯焊絲蓋面,避免了繁雜的充氬過程,不用倒換極性,焊接時(shí)間居中,線能量居中, 清渣次數(shù)少，輔助時(shí)間短。

3．熱處理方式及時(shí)間

熱處理是改善焊縫金屬組織減少焊接殘余應(yīng)力改善焊接接頭性能的重要手段，是保證焊接質(zhì)量的必不可少的工藝過程。
采用處理方法見表10

表10　熱處理方式
設(shè)備名稱 型號 加熱方式 溫度控制 保溫控制 實(shí)用性
箱式電爐 RX-30-9 電阻 連續(xù) 自動(dòng) 室內(nèi)固定
遠(yuǎn)紅外履帶加熱器 WKG-C 遠(yuǎn)紅外電熱 自控 自動(dòng) 移動(dòng)
火　 焰 氧乙炔 火焰 人工 人工 移動(dòng)

三種熱處理方式比較：

(1)火焰加熱對于一些工藝要求不高的工件來講不失為一靈活
方便，適應(yīng)性好的方式，但對于高合金鋼來講，溫度難以控制，受熱溫度不均勻，對熱處理效果不理想。
(2)箱式爐加熱均勻，處理量大，但不適合現(xiàn)場應(yīng)用，僅作為試驗(yàn)使用或試件熱處理好。
(3)遠(yuǎn)紅外加熱器，適合現(xiàn)場使用，移動(dòng)靈活方便，能自動(dòng)控制記錄熱處理參數(shù)，為工作提供可靠數(shù)據(jù)。

以藥芯焊絲打底，實(shí)芯焊絲蓋面，三種熱處理方法沖擊韌性及硬度值見表11。

表11　
方 式 沖 擊 值akv(J/cm2) 保溫(h) 硬度(HB)
1 2 3 4 焊縫 母材
箱式電爐 125.7 50 107.5 105 1 192 185 157 157
遠(yuǎn)紅外履帶加熱器 205 65 120 185 4 / / / /
遠(yuǎn)紅外履帶加熱器 257.5 267.5 240 248.7 2 215 239 199 174
遠(yuǎn)紅外履帶加熱器 85 62.5 50 40 1 / / / /
火　　焰 116.2 58.7 17.5 32.5 0.5 278 229 143 156

4．檢驗(yàn)

焊接檢驗(yàn)是檢查焊工技術(shù)水平及焊口質(zhì)量的重要工序，本
次試驗(yàn)的檢驗(yàn)項(xiàng)目包括外觀、斷口、X光無損探傷，各項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果均符合SD 340-89標(biāo)準(zhǔn)要求。

5．性能試驗(yàn)

經(jīng)對焊接試樣作拉伸試驗(yàn)全部斷在母材,說明焊縫拉伸強(qiáng)度高于母材；彎曲試驗(yàn)全部合格，說明焊縫韌性良好；金相組織正常，焊縫組織為回火馬氏體；箱式爐及遠(yuǎn)紅外履帶式加熱器熱處理后的焊接接頭沖擊值、硬度值符合標(biāo)準(zhǔn)，火焰熱處理的硬度表現(xiàn)了不均勻性，差距較大，沖擊值高低差6倍以上，火焰熱處理不可取。試驗(yàn)項(xiàng)目拉伸、彎曲、沖擊、硬度等綜合比較，采用藥芯焊絲打底，實(shí)芯焊絲填充、蓋面的焊接工藝是一種綜合指標(biāo)較好的焊接工藝方法。

八、結(jié)論

通過本試驗(yàn)研究并對試驗(yàn)結(jié)果比較證明：

1.藥芯焊絲(YR91W)打底，實(shí)芯焊絲(TGS-9cb)填充蓋面組合焊接工藝是先進(jìn)的，此工藝有著不可比擬的優(yōu)越性和發(fā)展前景。
2.焊后熱處理方式采用遠(yuǎn)紅外履帶式加熱器，熱處理時(shí)間2小時(shí)最好。
3.此工藝密切聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際,適合檢修現(xiàn)場。