[科普中国]-焊接线能量

简介

350MW 机组主蒸汽管道、高温段过热器管道、屏式过热器管道、汽轮机主汽管道采用T91/P91 材料制造。350MW 锅炉为超临界火室燃料锅炉，它的过热器、主蒸汽出口设计压力为25.4MPa，过热器、再热器的蒸汽温度为566℃。由于长期在高温高压下运行，在机组检修过程中，发现高温过热器部分管道因烟气冲刷严重，管壁减薄，用硬度计测量硬度，硬度超过HB250，焊缝出现脆性组织，需对减薄段进行更换，而P91钢材质成分复杂，壁厚大，淬硬倾向大，可焊性差，焊接过程中要严格控制焊接工艺参数。但由于高温过热环境恶劣，焊口数量多，在生产中难以保证参数的稳定性，通过实验方法，研究不同的焊接工艺下焊缝组织及力学性能。P91钢焊接的主要问题是冷裂敏感性较大，及一定的热裂倾向。同时也不可忽视接头性能的弱化（焊缝区韧性的恶化和热影响区的软化），因此合理的焊接工艺是控制和改善该钢焊接性的重要技术手段1。

焊前准备焊接试件及焊接材料，试验用焊接试件规格为φ290×30 的进口P91 钢管，开V 形坡口。焊前清理。采用角向磨光机对坡口两侧20~30mm 范围进行打磨清理。充氩保护。为防止P91 钢焊缝根部氧化，在焊接之前，从管内侧充氩气，保护背面技术，防止其过度氧化，保护气流量5L/min。

焊接工艺预热及层间温度。焊前采用DWK-D-60 型智能温控仪绳式加热器对其预热，预热温度150~200℃，加热速度小于150℃ /h，层间温度200~300℃。焊接材料选择。为了提高抗裂性选用德国蒂森Thermanit MTS3φ2.4 焊丝，Thermanit ChromoT91φ2.5 焊条。

焊接线能量的选择。采用单面焊双面成型，打底焊用钨极氩弧焊打底，焊条电弧焊填充盖面，钨极氩弧焊打底焊接线能量为15KJ/cm，10 KJ/cm，7 KJ/cm，焊条电弧焊采用22 KJ/cm，17.5KJ/cm，12KJ/cm 三种焊接线能量焊接。

焊后热处理。为保证焊缝马氏体组织的完全转变，待试件缓冷降温至100℃，应立即进行焊后热处理，采用柔性陶瓷电阻远红外加热带智能温控仪控温，升降温速度小于150℃ /h，760±10℃恒温2 小时2。

试样制备（1）拉伸试样制取。采用焊接接头拉伸试样，从管子试件中取出的拉伸试样，取全厚度试样。

（2）冲击试样。冲击试样截取位置在管件的中心线位置取出缺口冲击实验试样，试样数量为焊缝和热影响区各3个。试样的长度方向应垂直于焊缝轴线，缺口轴线应垂直于母材的表面，平行于焊缝的侧面。焊缝冲击试样的缺口应位于焊缝侧面的中心线上，而热影响区试样的缺口应开在熔合线以外的热影响区内且紧靠熔合线。

（3）金相硬度试样。试样在锯床上锯割成适当大小的试块，然后在砂轮上进行初步打磨，之后在150#、200#、400#、600#、800#、1200# 的砂纸上进行磨制，之后在1-、0.3- 和0.05-um 的尼龙布上进行抛光，用FeCl3 进行侵蚀，然后在显微镜下观察，直到没有划痕为止。

焊接线能量对P91 钢焊缝的影响（1）对P91 焊缝及热影响区硬度值测量

不同的焊接线能量下硬度，由图可以看出采用（GTAW）打底焊接线能量在15KJ/cm 以上+（SMAW）填充盖面焊接线能量在22KJ/cm 以上时，焊缝及热影响的硬度偏高，远远超过（GTAW）打底焊接线能量为12KJ/cm以下+（SMAW）填充盖面17.5KJ/cm 以下时的硬度。焊接线能量较小时焊缝金属的硬度越接近母材的硬度。

随着焊接线能量的增大，抗拉强度增大，由于焊接线能量较大，由于焊接热循环的影响，供货状态性能优良的母材性能可能有所下降，因此当焊接线能量较大时，断裂部位发生在母材处。

（3）冲击韧性实验结果分析

由实验结果可以看出，焊接线能量增大，热影响区的冲击韧性明显下降，这是由于焊接热循环的影响，使得母材的性能尤其是冲击韧性下降明显，而焊缝金属的冲击值却很高，主要是焊缝金属中Nb、V 在冷却凝固过程中很难与C、N 形成化合物析出。

（4）不同焊接线能量焊缝区的显微组织

采用钨极氩弧焊打底，焊条电弧焊填充盖面后的焊缝组织为奥氏体+ 少量铁素体，奥氏体的亚结构为具有一定夹角的隐晶板条马氏体，氩弧打底q=15 KJ/cm+ 焊条电弧焊q=22 KJ/cm 时，有碳化物析出，并在晶界处偏聚；氩弧打底q=10 KJ/cm+ 焊条电弧焊q=17.5 KJ/cm 时，焊缝组织为典型的回火索氏体组织，组织均匀，晶粒细小；当氩弧打底q=7 KJ/cm+ 焊条电弧焊q=12 KJ/cm 时，焊缝组织为回火索氏体组织，焊缝组织均匀3。

总结焊接线能量对P91 钢焊接接头力学性能影响很大，焊接线能量过大，由于焊接热循环的影响使得焊接接头的抗拉强度、硬度尤其是冲击韧性影响很大，因此在焊接过程中我们通过实验发现P91 耐热钢规格为φ219×30 焊接采用钨极氩弧焊（GTAW）打底+ 焊条电弧焊（SMAW）填充盖面，氩弧焊打底时焊接线能量控制在7~10KJ/cm，焊条电弧焊填充盖面时焊接线能量控制在15~20KJ/cm 时，焊接接头力学性能较为理想。同时在焊接操作过程中焊接线能量过小，金属流动性差，焊缝成形不良，易产生咬边、未熔合等焊接缺陷1。