異種鋼焊接及工藝

王軍

【摘??要】由于施工中SA335-P91、SA335-P22兩種不同成分的異種鋼焊接，焊縫金屬組織容易發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生脆性組織，造成焊縫冷裂紋且由于碳遷移造成接頭強度低。通過對SA335-P91及SA335-P22材料的焊接性能分析，提出解決存在問題的施工工藝措施，確定可行的焊接及熱處理工藝。

【關(guān)鍵詞】異種鋼;P91;P22;馬氏體轉(zhuǎn)變

引言：在鍋爐機組中，主蒸汽出口總管因圖紙設(shè)計更改，其中管件的材料采用P91鋼。其余預(yù)制管道材質(zhì)為P22鋼。這兩種鋼材化學(xué)成分差異大，焊接控制不好則容易產(chǎn)生焊縫冷裂紋和焊接接頭機械強度低。為了保證安裝的焊接工程質(zhì)量，需制定合理的焊接及熱處理工藝指導(dǎo)施工。

1、材料的化學(xué)成分及性能

1.1、P91、P22剛的化學(xué)成分見下表表

1.2、P91、P22的機械性能見下表

1.3、材料簡介

1.3.1、P22鋼屬于珠光體耐熱鋼，馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度為430℃-450℃，焊接性能好，具有較高的熱強性、熱穩(wěn)定性、抗腐蝕性及良好的塑形。

1.3.2、P91鋼為馬氏體高合金耐熱鋼材，其最高使用溫度650℃，高溫性能更好。

2、焊接性能

2.1、焊后冷裂紋傾向

高合金鋼中，Cr、Mo、V等合金元素增加鋼的淬透性，在焊后冷卻過程中，焊縫及其熱影響區(qū)過熱區(qū)易產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變，生成的馬氏體脆性組織使焊縫及熱影響區(qū)的冷裂傾向大，焊縫易生冷裂紋。

2.2、碳遷移形成低強脆性接頭

由于是高合金與低合金相連接，焊縫兩側(cè)合金元素成分差異大，在焊縫熔合區(qū)兩側(cè)易產(chǎn)生增碳和脫碳現(xiàn)象，高合金側(cè)增碳產(chǎn)生粗大碳化物，低合金側(cè)脫碳形成較寬低強度焊縫帶，由此焊后焊接接頭強度低，且脆性大。

2.3、熱影響區(qū)軟化

在焊接過程中，母材被加熱到Ac1線附近的回火區(qū)內(nèi)出現(xiàn)極不均勻的從馬氏體到奧氏體的分解產(chǎn)物、聚合碳化物和大量的鐵素體，接近鋼的退貨狀態(tài)，稱為軟化區(qū)。該區(qū)在長期高溫載荷作用下，持久強度和塑形大幅度下降，其軟化層厚度與在Ac1線附近停留的時間成正比。

要解決不同合金焊接產(chǎn)生的以上問題，焊接時就要采取焊前預(yù)熱措施，焊接過程中控制層間溫度，以降低和減小焊接應(yīng)力和焊后殘余應(yīng)力，避免在焊接過程中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，防止產(chǎn)生淬硬組織，降低焊縫的冷裂紋傾向，防止冷裂紋產(chǎn)生。焊接完成后要及時進(jìn)行焊后熱處理，消除焊接殘余應(yīng)力，并使焊縫組織轉(zhuǎn)變成具有良好機械性能的珠光體組織，提高焊接接頭強度。

3、焊接工藝過程

3.1、焊接施工中我們選用的焊接材料為：打底采用鎢極氬弧焊，焊絲ER90S-B9，直徑Φ2.4，焊條電弧焊填充蓋面，焊條直徑為Φ2.5和Φ3.2。

3.2、為防止在焊接中熱影響區(qū)過熱組織脆化，焊接過程中采用較小的焊接線能量，嚴(yán)格控制焊接參數(shù)和焊接熱處理參數(shù)，層間溫度控制在250-350℃

焊接參數(shù)表：

3.3、焊接過程中，管道內(nèi)部進(jìn)行充氬保護(hù)，防止焊道因過燒氧化。

3.4、為減少焊接應(yīng)力與變形，采用兩人對稱焊接。且控制兩人同時在一處收頭，以免局部溫度過高。焊接中應(yīng)將每層焊道接頭錯開10-15毫米。每層焊完后自檢合格才能焊下一層。

3.5焊前預(yù)熱

3.5.1焊前預(yù)熱溫度150℃。寬度以坡口邊緣算起每側(cè)不少于壁厚的3倍，采用履帶式加熱。

3.5.2、施焊過程溫度控制

氬弧焊打底完成后，控制接頭層間溫度在250℃左右進(jìn)行手工電弧焊填充蓋面，焊接時每層焊道厚度都小于焊條直徑，寬度不超過焊條直徑的4倍。

3.5.3、大徑厚壁水平固定焊蓋面層的焊道布置，每層焊道都在三道以上，中間有一“退火焊道”，有利于改善焊縫金屬的組織和性能。

4、焊后熱處理

4.1、當(dāng)焊縫整體焊接完畢，對焊接接頭溫度應(yīng)控制冷卻到100-120℃時保溫一小時，使奧氏體完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體后直接升溫到回火溫度進(jìn)行焊后熱處理。

4.2、焊接接頭的焊后熱處理，采用高溫回火。

4.3、焊后熱處理的升、降溫度小于150℃/h，升溫至760±10℃，降溫到300℃以下不控制溫度，在保溫層內(nèi)冷卻。

4.4、對于P91鋼與珠光體、貝氏體鋼的異種鋼焊接接頭，加熱溫度應(yīng)按兩側(cè)鋼材及所用焊絲、焊條等綜合確定，不應(yīng)超過合金成分含量低材料的下臨界點Ac1線

5質(zhì)量檢驗和標(biāo)準(zhǔn)

5.1、焊工自檢和專檢都應(yīng)重視焊接接頭外觀質(zhì)量，除焊縫均整、尺寸符合規(guī)定外，應(yīng)盡量消除咬邊缺陷，以減緩焊接接頭的應(yīng)力。

5.2、外觀符合規(guī)定的焊接接頭，方可按規(guī)定比例進(jìn)行無損檢驗。

5.3、進(jìn)行焊后熱處理，做“UT”探傷檢驗。

5.4、熱處理后，做100%硬度測定，測定了兩側(cè)，每側(cè)選擇5點測定。硬度為P91側(cè)平均320HB

P22側(cè)平均245HB。

結(jié)論：采用以上工藝措施進(jìn)行焊口的焊接及熱處理，通過控制焊接線能量，焊口采用內(nèi)充氬保護(hù)，并選用多層多道方式進(jìn)行焊接，預(yù)防了焊縫區(qū)域產(chǎn)生冷裂紋，并且焊縫的組織和機械性能良好。

（作者單位：大慶油田中油電能熱電二公司熱機檢修部）