鐵素體耐熱鋼的焊接工藝及熱處理

劉鴻彥，李衛(wèi)華，孫修圣，葛會

（南京寶色股份公司，江蘇 南京 211100）

前言

SA335 P91鐵素體型耐熱鋼以其優(yōu)良的力學(xué)性能、耐高溫性能以及抗蠕變性能在電力行業(yè)中應(yīng)用廣泛，憑借較高的性價比成為蒸汽管道、再熱器、高溫過熱器集箱等裝置的首選用鋼[1～3]。但是SA335 P91的碳當(dāng)量較高，焊接性較差，焊接工藝要求難度大，制造過程中工藝控制稍有不當(dāng)時，極易出現(xiàn)焊接冷裂紋、焊縫韌性低、焊接熱影響區(qū)軟化等質(zhì)量問題，影響產(chǎn)品使用性能。為規(guī)范工藝要求，指導(dǎo)生產(chǎn)實際，控制焊接質(zhì)量，保證焊接接頭性能，確保產(chǎn)品制造順利及使用安全，本文對SA335 P91鐵素體型耐熱鋼進(jìn)行材料及焊接性分析，制定預(yù)焊接工藝規(guī)程，并對焊接工藝進(jìn)行試驗及檢測確認(rèn)，通過全過程控溫措施，形成評定，并提出質(zhì)量控制要點，為同行提供一種工藝參考。

1 SA335 P91 材料及焊接性

1.1 化學(xué)成分及力學(xué)性能

SA335 P91鐵素體耐熱鋼的化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。

表1 SA335 P91材料化學(xué)成分（%）

表2 SA335 P91材料力學(xué)性能

1.2 焊接性能分析

根據(jù)表1中母材成分含量，鐵素體耐熱鋼SA335 P91屬于中合金鋼，參考適用于含碳量較高、強度級別中等的非調(diào)質(zhì)低合金高強鋼的國際焊接學(xué)會推薦的碳當(dāng)量計算公式[4]，對SA335 P91中合金鋼的碳當(dāng)量進(jìn)行參考計算可知CE=2.03%，通常的低合金高強鋼在CE＜0.4%時，材料的淬硬傾向較小，焊接性良好，當(dāng)CE＞0.5%時，材料易淬硬，焊接性變差。大致可知此SA335 P91具有相當(dāng)高的冷裂傾向，根據(jù)筆者的前期試驗，驗證了SA335 P91鋼在不預(yù)熱條件下焊接裂紋達(dá)100%，當(dāng)預(yù)熱到200～250℃時可有效的減少冷裂紋的產(chǎn)生。

2 SA335 P91焊接試驗

2.1 焊接坡口確定

SA335 P91鐵素體型耐熱鋼在電力行業(yè)通常使用場合為高溫管道，故采用管對接試件進(jìn)行試驗，焊接試管規(guī)格為Φ219×δ20mm，長度125mm，兩件。在保證焊道的脫渣效果達(dá)到友好焊接操作性能的同時，為兼顧焊接電弧的可達(dá)性以保障側(cè)壁熔合質(zhì)量，減少焊縫填充量，減少焊接缺陷的產(chǎn)生，擬定采用如圖1所示的焊接坡口形式。

圖1 焊接試板坡口形式及焊道次序示意圖

2.2 焊接方法及材料

為模擬產(chǎn)品管道的制造實際情況，先采用GTAW打底6mm后，再使用SMAW進(jìn)行填充蓋面焊接。采用與母材相匹配的焊絲和焊條進(jìn)行焊接。焊材生產(chǎn)廠家為奧鋼聯(lián)伯樂公司，焊絲的牌號為ER90S-B9，尺寸Φ2.4mm，符合ASME BPVC.Ⅱ-2019，SFA-5.28標(biāo)準(zhǔn)要求，焊條的牌號為E9015-B91，尺寸Φ3.2mm，符合ASME BPVC.Ⅱ-2019，SFA-5.5標(biāo)準(zhǔn)要求。焊材的具體化學(xué)成份見表3。

表3 焊材化學(xué)成分（%）

2.3 保護(hù)氣體及層溫控制

SA335 P91鐵素體耐熱鋼中含有一定量的Cr、Ni、Mo等合金元素，相比與低合金鋼，SA335 P91的熔池粘度稍大，流動性稍差，需要在GTAW打底時采用背面保護(hù)氣進(jìn)行保護(hù)，以達(dá)到較好的背面打底成型效果，同時也為了減小氧化傾向，槍保護(hù)氣采用99.99%的Ar.進(jìn)行保護(hù)，氣體流量為12～15L/min；背保護(hù)氣采用99.99%的Ar.進(jìn)行保護(hù)，氣體流量為≥25L/min。層間溫度控制在200～250℃，溫度太低時易產(chǎn)生冷裂紋，太高又容易造成焊接接頭弱化。背面保護(hù)氣體須在焊縫厚度達(dá)到6mm以上時方可撤去。

2.4 焊接工藝

試管的厚度為20mm，按照圖1擬定的坡口及道次要求施焊。施焊前，考慮到焊接冷裂紋的傾向，采用全過程控溫，使用繩式柔性陶瓷電阻加熱器在管件坡口兩側(cè)纏繞牢固，固定好K型測控溫?zé)犭娕?，確保接觸良好，然后在使用保溫棉將整合管件兩側(cè)包裹嚴(yán)實，試管端部也采用保溫棉堵實，留出焊接坡口待焊，如圖2所示。使用繩式柔性陶瓷電阻加熱器的過程中，應(yīng)做好防觸電措施，確保整個施焊過程安全。

圖2 坡口組對圖

對待焊試管進(jìn)行電預(yù)熱，因采用GTAW打底焊接，所以初始預(yù)熱溫度可以控制在150～250℃內(nèi)，當(dāng)采用SMAW焊接時，應(yīng)保證溫度在200～250℃范圍內(nèi)，氬弧焊打底時盡可能多加焊絲，增加單層焊道的剛度，SMAW焊接時采用微擺動施焊，擺動寬度不超過3倍焊條直徑，以減小操作難度并保證較好的脫渣，因采用的是多層焊方式，由于保護(hù)渣殼的影響，過程中需進(jìn)行仔細(xì)的層間清理，防止碎渣殼熔入后道焊縫中。焊接實物如圖3所示，焊接工藝參數(shù)如表4所示。

表4 焊接工藝參數(shù)

圖3 焊接實物圖

2.5 焊后熱過程

SA335 P91鐵素體型耐熱鋼焊接完成后的熱過程直徑影響焊接接頭的組織及使用性能，尤其是焊接完成之后的馬氏體轉(zhuǎn)變過程影響最終焊縫組織中的殘余奧氏體多少，所以對整個焊接熱過程應(yīng)嚴(yán)格控制，并且整個焊接熱過程應(yīng)連續(xù)。詳細(xì)熱過程曲線見圖4。曲線上半部分為繩式柔性陶瓷電阻加熱器控溫過程，下半部分為熱處理爐控溫過程，控溫保持升降溫速度為100-150℃/h。

圖4 焊后熱過程曲線

焊接完成后，按規(guī)定降溫速度將試管焊接接頭溫度降至90℃±10℃并保溫2小時，完成焊縫熔敷金屬的馬氏體轉(zhuǎn)變，然后在按曲線中規(guī)定升溫速度將試管再次加熱至200℃并保溫，同步將電加熱爐升溫至200℃并空爐保溫。當(dāng)試管與加熱爐的溫度都達(dá)到200℃時，快速拆除試管上的加熱及保溫裝置，并將焊后的試管轉(zhuǎn)移至電加熱爐中，在電加熱爐中完成焊后760℃±10℃/小時的焊后高溫回火及冷卻過程。

3 焊接質(zhì)量控制要點

為避免出現(xiàn)SA335 P91鐵素體耐熱鋼的焊接缺陷問題，保證焊接質(zhì)量的穩(wěn)定合格，制定如下焊接質(zhì)量控制要點：①焊前采用打磨機清理坡口兩側(cè)50mm范圍內(nèi)的鐵銹及其他臟污，漏出金屬光澤；②宜采用不擺動或微擺動施焊，試管冷態(tài)組對時點固的焊點在GTAW打底時必須打磨去除干凈；③背面惰性氣體保護(hù)需保證熔覆金屬厚度需至少達(dá)到6mm；④不得采用立向下焊接；⑤焊縫層道間的魚鱗紋盡量平緩，當(dāng)出現(xiàn)較大凸起或溝槽時，應(yīng)用砂輪機修磨圓滑再繼續(xù)施焊；⑥焊接全過程控溫，確保預(yù)熱、層溫、馬氏體轉(zhuǎn)變、熱處理等溫度符合規(guī)定要求。

4 試驗結(jié)果

4.1 無損檢測

按照上文中的焊接及熱過程控制，對施焊及熱處理完成后的管對接試件按承壓設(shè)備無損檢測規(guī)范NB/T47013.5-2015進(jìn)行100%PT檢測，結(jié)果Ⅰ級合格，無表面缺陷，按NB/T47013.2-2015進(jìn)行100%RT檢測，結(jié)果II級合格。

4.2 力學(xué)性能檢測

按照NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》的要求，對無損檢測完成后的管對接試件取樣并進(jìn)行室溫拉伸、彎曲、沖擊、硬度等力學(xué)性能檢測，檢測結(jié)果如表5所示。圖5為試樣的拉伸檢測圖，圖6為試樣的側(cè)彎圖，圖7為試樣的沖擊圖。

圖5 拉伸后的試樣圖

圖6 側(cè)彎后試樣圖

圖7 沖擊試樣圖

表5 焊接試管的力學(xué)試驗結(jié)果

根據(jù)檢測結(jié)果可知，拉伸試樣塑性斷裂于母材區(qū)域，抗拉強度高于母材的最低抗拉強度585MPa的要求，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。焊接接頭的布氏硬度檢測結(jié)果為180～220HBW，參考國內(nèi)電力行業(yè)對9%～12%Cr型耐熱鋼的硬度要求，結(jié)果滿足使用性能要求。焊接接頭塑韌性的考察指標(biāo)側(cè)向彎曲及沖擊，在焊縫及熱影響區(qū)也未出現(xiàn)不合格的情況，證明了焊接接頭具有較好的力學(xué)性能，完全符合焊接工藝評定準(zhǔn)則對焊接接頭的性能要求。

4.3 金相檢測

對試樣斷面進(jìn)行宏觀金相和顯微組織檢測，未發(fā)現(xiàn)裂紋、未焊透、未熔合、氣孔等缺陷，比照母材和熱影響區(qū)的微觀組織發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)組織未出現(xiàn)明顯粗大傾向，焊縫區(qū)組織均勻，尺寸稍大，具有馬氏體位向特征，焊縫金屬為回火索氏體組織。金相檢測如圖8所示。

圖8 金相圖片

5 結(jié)論

采用文中擬定的預(yù)熱及控溫措施，可有效控制接頭出現(xiàn)焊接冷裂紋的傾向，通過小規(guī)范多層多道焊接可適當(dāng)減小接頭熱影響區(qū)的粗晶傾向，通過焊后90℃/2小時處理，控制馬氏體組織轉(zhuǎn)變，減少殘余數(shù)量。按照文中規(guī)定的焊接工藝參數(shù)及熱過程溫度控制進(jìn)行SA335 P91鐵素體耐熱鋼的焊接，可獲得性能優(yōu)良的焊接接頭，焊接工藝評定的結(jié)果合格，滿足技術(shù)協(xié)議及相關(guān)規(guī)范的要求。