小直徑SA-335P92鋼管細(xì)絲埋弧焊工藝及性能

黃 超，徐祥久

（哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司高效清潔燃煤電站鍋爐國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150046）

小直徑SA-335P92鋼管細(xì)絲埋弧焊工藝及性能

黃 超，徐祥久

（哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司高效清潔燃煤電站鍋爐國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150046）

分析小直徑SA-335P92鋼管焊接工藝方案，闡述目前焊接工藝中存在的問題，提出一種新組合焊接工藝——手工氬弧焊+細(xì)絲埋弧焊用于小直徑SA-335P92鋼管的焊接。以SA-335P92鋼管為試驗(yàn)材料進(jìn)行新焊接工藝試驗(yàn)，并對(duì)焊接接頭進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)和宏觀、微觀組織分析。結(jié)果表明，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、沖擊、硬度等性能均能滿足SA-335P92母材的要求，焊縫和熱影響區(qū)的微觀組織與SA-335P92母材的組織同為回火馬氏體。

細(xì)絲埋弧焊；小直徑；SA-335P92鋼管

0 前言

SA-335P92鋼是日本新日鐵公司在T/P91鋼的基礎(chǔ)上改良開發(fā)的新鋼種，在化學(xué)成分上適當(dāng)降低了鉬含量（0.5％），同時(shí)加入一定量的鎢（1.7％），以將材料的鉬當(dāng)量（Mo+0.5W）從P91鋼的1％提高到約1.5％，該鋼中還加入適量的硼元素。與其他鉻-鉬耐熱鋼相比，SA-335P92鋼的耐高溫腐蝕和氧化性能與9％Cr鋼相似，但材料的高溫強(qiáng)度和蠕變性能均得到了進(jìn)一步提高[1]。SA-335P92鋼最高設(shè)計(jì)工作溫度達(dá)625℃，在600℃下SA-335P91鋼母材105h斷裂強(qiáng)度為95 MPa，而SA-335P92鋼則高達(dá)123 MPa，高溫蠕變斷裂強(qiáng)度比SA-335P91鋼高25％～30％[2]。

小直徑SA-335P92鋼管是指直徑小于273 mm的SA-335P92鋼管，主要應(yīng)用在350 MW的超臨界鍋爐中的過熱器、再熱器小集箱和其他型號(hào)鍋爐過熱器、再熱器連接管道。目前，此類規(guī)格SA-335P92

鋼管的焊接工藝主要有手工氬弧焊+焊條電弧焊或熱絲TIG焊兩種。但這兩種焊接工藝均無(wú)法同時(shí)滿足高效率、高質(zhì)量焊接的要求，在一定程度上制約了此類規(guī)格SA-335P92鋼管的生產(chǎn)。

1 工藝分析

手工氬弧焊+焊條電弧焊的組合焊接工藝。即在管道對(duì)接過程中，首先使用手工氬弧焊進(jìn)行管道的封底焊接，由于手工氬弧焊在惰性氣體保護(hù)下焊接，電弧穩(wěn)定、熔池可見性好、焊接熱輸入量小，焊縫正面成形光滑美觀、背面成形良好。因此，采用手工氬弧焊能保證對(duì)接焊縫首層焊接時(shí)單面焊雙面成型；后續(xù)使用焊條電弧焊完成焊縫的填充和蓋面焊。此類組合焊接工藝的工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境差、工作效率一般，但對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式適用范圍廣泛。

熱絲TIG焊接工藝。在管道對(duì)接過程中全部使用熱絲TIG焊工藝，機(jī)械化程度高，對(duì)管道焊接過程按層、道的編制組合工藝程序，包括首層封底、填充和蓋面等多種工藝參數(shù)，在焊接過程中直接調(diào)用相應(yīng)的工藝程序一次性焊接完成此類組合焊接工藝，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低、工作環(huán)境好，但生產(chǎn)效率低，對(duì)坡口加工及裝配尺寸精度要求高，只適用于可徑向轉(zhuǎn)動(dòng)的管道。

此外在大口徑管道對(duì)接中普遍使用的組合焊接工藝為手工氬弧焊+焊條電弧焊+絲極埋弧焊。即在管道對(duì)接過程中，首先使用手工氬弧焊進(jìn)行封底焊接，然后焊條電弧焊過渡焊接，最后用絲極埋弧焊（焊絲直徑φ3.0～φ4.0 mm）進(jìn)行填充、蓋面。這種組合焊接工藝只適用于直徑不小于273 mm的大口徑管的焊接；而對(duì)于直徑小于273 mm的管道，在絲極埋弧焊接過程中焊絲熔敷金屬量大，而管道的直徑小、曲率大，在焊接線速度不變的情況下，管道的角速度偏大，單位時(shí)間轉(zhuǎn)過的角度大，因此會(huì)出現(xiàn)焊絲熔敷的金屬未完全凝固而隨管道向豎直方向旋轉(zhuǎn)，由于重力作用未凝固的液態(tài)金屬出現(xiàn)流淌的現(xiàn)象，無(wú)法控制熔敷金屬凝固后的形貌，進(jìn)而難以保證焊縫質(zhì)量，以致出現(xiàn)咬邊、夾渣等缺陷。

上述組合焊接工藝在生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量方面均無(wú)法同時(shí)達(dá)到最優(yōu)，而且部分焊接工藝組合的工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境差。針對(duì)目前小直徑SA-335P92鋼組合焊接工藝中存在的問題，提出了一種新組合焊接工藝，在保證焊接質(zhì)量的前提下，最大提高生產(chǎn)效率、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。新組合焊接工藝由手工氬弧焊+細(xì)絲埋弧焊組成。鋼管的首層焊接仍選用手工氬弧焊，保證首層焊縫單面焊接雙面成型，后續(xù)直接使用細(xì)絲埋弧焊進(jìn)行焊縫的填充和蓋面焊，沒有管道常規(guī)組合焊接工藝中的焊條電弧焊過渡。新組合焊接工藝具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）焊縫質(zhì)量好。首層采用手工氬弧焊，保證封底焊縫的質(zhì)量；填充和蓋面使用細(xì)絲埋弧焊，焊絲直徑僅為φ1.6 mm；采用的焊接工藝參數(shù)更小、熔敷的金屬量更?。ㄈ鄢伢w積?。簯B(tài)金屬凝固時(shí)間相應(yīng)更短，可避免常規(guī)絲極埋弧焊接過程中熔敷金屬未凝先淌的問題，能控制熔敷金屬凝固后的形貌，進(jìn)而保證焊縫質(zhì)量，提高產(chǎn)品的合格率。

（2）生產(chǎn)效率高。細(xì)絲埋弧焊相對(duì)于常規(guī)的絲極埋弧焊，焊絲直徑大幅減小，細(xì)絲埋弧焊的焊絲電阻熱的作用更加明顯，焊絲的熔化系數(shù)更大，焊接效率相應(yīng)更高[3]。與熱絲TIG焊接工藝相比，生產(chǎn)效率可提高1倍，與手工氬弧焊+焊條電弧焊組合焊接工藝相比，生產(chǎn)效率可提高50％。

（3）工人勞動(dòng)強(qiáng)度低、工作環(huán)境好。在管道環(huán)縫焊接的過程中，除封底焊縫外，整條焊縫的焊接量均由細(xì)絲埋弧焊完成，細(xì)絲埋弧焊屬于機(jī)械化焊接、可操作性高，對(duì)操作者的要求更低，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度；在焊接過程中無(wú)弧光輻射、焊接煙塵小，改善了焊接環(huán)境。

以SA-335P92鋼管為試驗(yàn)材料，匹配相應(yīng)的焊接材料，按上述組合焊接工藝進(jìn)行焊接，并分析測(cè)試焊后接頭組織及性能，驗(yàn)證新組合焊接工藝的合理性。

2 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)用SA-335P92鋼管規(guī)格φ219mm×50mm，供貨狀態(tài)為正火+回火：正火溫度1 040℃～1 080℃，回火溫度760℃～790℃，其化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。焊接材料選用神戶制鋼生產(chǎn)的TGS-12CRS φ2.4 mm焊絲、伯樂蒂森生產(chǎn)的Thermanit MTS 616 φ1.6 mm埋弧焊絲配Marathon 543焊劑，TGS-12CRS和ThermanitMTS616的化學(xué)成分見表3。

SA-335P92母材按如圖1所示進(jìn)行焊接坡口加工。試驗(yàn)中首先使用手工氬弧焊進(jìn)行封底焊，焊接前兩層，然后使用細(xì)絲埋弧焊進(jìn)行填充和蓋面，焊接工藝參數(shù)如表4所示。

表1 SA-335P92鋼管化學(xué)成分％

表2 SA-335P92鋼管的力學(xué)性能

表3 焊接材料化學(xué)成分％

表4 焊接工藝參數(shù)

圖1 SA-335P92試驗(yàn)鋼管對(duì)接坡口

SA-335P92試驗(yàn)鋼管對(duì)接坡口如圖1所示，對(duì)于規(guī)格為φ219 mm×50 mm的SA-335P92鋼管，細(xì)絲埋弧焊的首層焊縫焊道管徑僅為125 mm，曲率大、焊接難度高。焊前需要先對(duì)SA-335P92鋼管的焊接坡口進(jìn)行預(yù)熱處理，手工氬弧焊的預(yù)熱溫度150℃、細(xì)絲埋弧焊的預(yù)熱溫度200℃，在管道內(nèi)部圍繞焊接坡口制造一個(gè)封閉空間，并提前4～5 min向封閉空間內(nèi)充入氬氣保護(hù)焊接坡口背面，以保證焊縫背面成形良好，氬氣流量25～30 L/min。焊后焊縫緩慢冷卻至100℃～150℃，保溫1 h，使焊縫進(jìn)行完全的馬氏體轉(zhuǎn)化。之后對(duì)焊縫進(jìn)行（300℃～400℃）×3 h的消氫處理，緩慢冷卻至室溫，使用機(jī)械打磨等方式修磨焊縫表面，焊縫經(jīng)超聲和滲透探傷檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)任何缺陷。焊后熱處理（775℃± 10℃）×10 h，消除焊縫中的殘余應(yīng)力。

按照NB/T 47014-2011標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)焊接接頭進(jìn)行拉伸、沖擊、彎曲和硬度試驗(yàn)，利用Axiovert 200 MAT蔡司金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織分析。

3 結(jié)果

3.1 焊縫形貌及微觀組織

SA-335P92鋼管采用細(xì)絲埋弧焊的焊縫表面形貌如圖2所示。箭頭標(biāo)注的亮白色區(qū)域?yàn)榧?xì)絲埋弧焊的實(shí)際焊縫，兩側(cè)為SA-335P92母材，可以發(fā)現(xiàn)焊縫表面平整光滑、成形均勻連續(xù)，無(wú)咬邊、夾渣等缺陷。圖3為經(jīng)歷焊后熱處理的焊接接頭宏觀形貌。

從焊接接頭的整體宏觀形貌來(lái)看，在焊接接頭的截面上未發(fā)現(xiàn)任何缺陷，圖3中標(biāo)注的焊接熱影響區(qū)寬度較窄，最寬處僅有2.5 mm。焊接接頭的宏觀形貌呈現(xiàn)出明顯的三個(gè)區(qū)域，分別為母材、熱影響區(qū)和焊縫。對(duì)三個(gè)區(qū)域的微觀組織進(jìn)行顯微分析，如圖4所示。由圖4可知，從母材到焊縫，微觀組織均為回火馬氏體，但由于焊縫和熱影響區(qū)受焊接高

溫?zé)嶙饔玫挠绊?，熱影響區(qū)和焊縫的回火馬氏體組織尺寸相對(duì)粗大。

圖2 SA-335P92鋼管細(xì)絲埋弧焊焊縫表面形貌

圖3 焊接接頭宏觀形貌

3.2 焊接接頭的力學(xué)性能

按照NB/T 47014-2011標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)焊接接頭進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，拉伸和彎曲的試驗(yàn)結(jié)果見表5，沖擊試驗(yàn)的結(jié)果見表6。與表2中SA-335P92鋼管母材的力學(xué)性能相比，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和彎曲性能均高于母材要求的下限值，說明使用新組合焊接工藝焊接獲得的焊接接頭的力學(xué)性能滿足產(chǎn)品要求。

表5 拉伸和彎曲的試驗(yàn)結(jié)果

表6 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖4 焊接接頭微觀組織

由表6可知，熱影響區(qū)的沖擊韌性高于焊縫。原因主要是：焊縫中回火馬氏體組織相對(duì)粗大，而熱影響區(qū)中回火馬氏體組織則相對(duì)細(xì)小，晶粒越細(xì)，晶界越多，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力越大，位錯(cuò)塞積造成的應(yīng)力集中也小，因此熱影響區(qū)的沖擊韌性高于焊縫[4-5]。

分別對(duì)圖3中焊接接頭截面的母材、熱影響區(qū)和焊縫三個(gè)區(qū)域的微觀組織進(jìn)行布氏硬度測(cè)量，每個(gè)區(qū)域測(cè)量三點(diǎn)，三個(gè)區(qū)域的布氏硬度結(jié)果如表7所示。從硬度結(jié)果可以看出，三個(gè)區(qū)域的布氏硬度結(jié)果均達(dá)到SA-335P92母材的布氏硬度要求，而且焊縫區(qū)域的硬度值最高，熱影響區(qū)的硬度值略低，與表6中焊縫、熱影響區(qū)沖擊值的規(guī)律相符。

表7 布氏硬度HB

4 結(jié)論

（1）常規(guī)組合焊接工藝——手工氬弧焊+焊條電弧焊或熱絲TIG焊無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)小直徑SA-335P92鋼管高質(zhì)量、高效率生產(chǎn)。

（2）提出一種手工氬弧焊+細(xì)絲埋弧焊的組合焊接工藝，用于小直徑SA-335P92鋼管的焊接。

（3）使用新組合焊接工藝對(duì)小直徑SA-335P92鋼管進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度最小值為640 MPa、焊縫及熱影響區(qū)的室溫沖擊最小值為40 J、布氏硬度值236～248 HB，均能滿足SA-335P92的要求。證明了新工藝用于焊接小直徑SA-335P92鋼管切實(shí)可行。

[1]馬明編.美國(guó)新的超臨界機(jī)組考慮使用T/P92的原因[J].電力建設(shè)，2006（11）：79-80.

[2]邵小劍.超超臨界機(jī)組主蒸汽P92鋼的焊接[J].電焊機(jī)，2008，38（1）：58-59.

[3]王元良，屈金山，胡久富，等.高效節(jié)能的細(xì)絲雙絲自動(dòng)焊接研究[J].焊接技術(shù)，2000，29（12）：39-40.

[4]Arivazhagan B.Effect of TIG arc surface melting process on weld metal toughness of modified 9Cr-1Mo(P91)steel [J].Mater，2008（3）：56-58.

[5]李文彬，姜運(yùn)建，馮硯廳，等.P92鋼焊縫細(xì)晶比例與沖擊韌性關(guān)系研究[J].電焊機(jī)，2010，40（7）：61-62.

Process and performance of fine wire submerge arc welding for minor diameter SA-335P92 steel pipe

HUANG Chao，XU Xiangjiu
（Harbin Boiler Company limited State Key laboratory of efficient and clean Coal-fired Utility Boiler，Harbin 150046，China）

According to analyze the welding processes of the minor diameter SA-335P92 steel pipe，expatiate on the problems existing in the current welding process.In this paper，present a new combination welding process with manual gas tungsten arc welding and submerge arc welding for the welding of minor diameter SA-335P92 steel pipe.Carry out the new process test with the SA-335P92 steel pipe，test mechanical property and the macro and micro organization of the welding joint.The results show that the mechanical properties of the welding joint could satisfy the requirements of the SA-335P92 steel pipe，the organization of the welding seam and heat affect zone is tempered martensite the same as the base metal of SA-335P92.

fine wire submerge arc welding；minor diameter；SA-335P92 steel pipe

TG457.11

B

1001-2303（2016）08-0109-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.08.26

2015-05-19；

2016-06-01

黃超（1985—），男，黑龍江哈爾濱人，碩士，工程師，主要從事鍋爐及壓力容器焊接制造的研究工作。