P92钢的焊接工艺介绍.pdf

J 电 力 安 全 技 术 第 l 6 卷( 2 0 1 4 年 第 1 2 期 ) P 9 2 钢的焊接工艺介绍 王 兴 刚 ( 中国能源建设集 团东北 电力第一工程公 司，辽宁 铁岭 1 1 2 0 0 0 ) 摘要介绍 了P 9 2钢的高温蠕 变断裂强度、时效性能及抗氧化性等理化特性，指 出P 9 2钢 铁焊接 的常见问题 ，结合实际工作 条件介绍 了钨极氩弧焊 ( T I G) 和手工 电孤焊 ( S MA W) 的现场焊接 工艺和技术措施 ，并提 出了在焊接过程 中的注意事项。 关键词P 9 2钢 ；焊接工 艺；钨极氩弧焊；手工电弧焊 1 P 9 2 钢的理化特性 P 9 2钢是新 型铁素体 耐热钢 ，是在 P 9 1 钢 的 基础上研究开发的， 日本钢号为 NF 6 1 6 ，于 1 9 9 5 年和 1 9 9 6年分 别列入 了美 国 AS T M 和 AS ME标 准 ， 表示为 A3 3 5 P 9 2和 S A3 3 5 P 9 2 。与 P 9 1 钢相比， P 9 2钢加入 1 5 2 0 的 W ，并将 Mo含量 降 至 0 3 0 6 ，以调 整铁素体 一奥氏体元素之 间的平衡 ，还加入微量合金元素 B，其化学成分如 表 l 所示。 1 。 1 高温蠕变断裂强度 从新 日本制铁公司 P 9 2钢 的蠕 变断裂强度试 验数据 可知 ：P 9 2钢在 5 5 0、6 0 0、6 2 5下 1 0 5 h的蠕变 断裂强度分 别为 1 9 9 MP a 、1 3 1 MP a 和 1 0 1 MP a ；P 9 1 钢在相应温度下的蠕变断裂强度 分别为 1 4 1 MP a 、9 8 MP a和 6 8 MP a 。与 P 9 1 钢相 比，P 9 2钢的高温蠕变强度有明显的提高。 1 2 时效性能 在开发和试用过程 中， P 9 2 钢均具有时效倾向， 时效倾向发生在 5 5 06 5 0钢材的工作温度范围。 在 3 0 0 0 h时效前 ，P 9 2钢韧度下 降了许多 ，其冲 击功从时效前的 2 2 0 J 约降至 7 0 J ；在 3 0 0 0 h时效 后 ，P 9 2钢韧度下降趋势平缓，其冲击功下降倾向 不明显 ，稳定在时效 3 0 0 0 h时的水平。 1 3 抗氧化性能 P 9 2钢 与 P 9 1 钢 在 6 0 0、7 0 0 下 3 0 0 0 h 的水蒸汽氧化皮厚度大致相同，可认定 2者具有相 同的抗氧化性能。 2 P 9 2 钢的熔敷金属性能 限制熔敷金属成分 中 S i 、Mo 、W 的含量 ，有 利于 限制金属的时效倾向，也有 利于 防止 出现 6 铁素体。但为保证焊缝 金属的高温性 能，必须将 W 含量 保持 在 1 8 左 右 ，M 含量 限制在 0 5 左右，S i 含量不低于 0 2( 电弧焊 ) 。因此，难以 通过限制 S i 、Mo 、W 的含量来 限制时效倾 向和防 止 出现 6铁素体。为防止出现 5铁素体 ，可适 当 增加奥氏体化元素。若 P 9 2钢母材为单一马 氏体组 织 ，则熔敷金属在正常的工艺条件下就不会出现 5 铁素体。 3 P 9 2 钢的焊接问题 3 1 焊接接头脆化 在焊接过程 中，焊缝金属从高温熔融状态冷却 表 1 P 9 2钢化学成分 wt 一 一 第 1 6 卷 ( 2 0 1 4 年第 1 2 期 ) 电力 安 全 技 术 形成固态铸造组织，即熔池从高温快速冷却凝 固， Nb 、V等微合金化元 素仍大量 固溶在金属 中，形 成 固溶强化 ，降低 了焊缝 韧性 ，而 W 加剧了焊缝 金属韧性的降低倾向。 3 2 热影响区软化 在焊接过程 中，P 9 2 钢 的热影响区细晶区和临 界 区将产生软化 。焊接接头热影响区的细晶区和临 界 区在焊接 热循环 下承受 的温度 均高于 A c l 温度 ( A c l 表示钢在加热时开始形成奥 氏体的温度 ) 。处 于此温度区间的金属部分奥 氏体化，沉淀强化相不 能够完全溶解在奥氏体 中，未溶解的沉淀强压相在 随后热循环下发生粗化 ，降低 了该区域 的强度。软 化主要影响高温持久性能，软化区在长期高温运行 后易产生裂纹。 3 3 冷裂纹 在焊后冷却过程 中，在 Ms 点 以下或更低温度 范 围内可形成冷裂纹 ( Ms表示 马 氏体转变开 始温 度 o P 9 2 钢作为铁素体耐热钢 ， 焊接残余应力较大 ， 焊接热循环条件下冷却速度控制不当易形成马 氏体 组织 。焊接接头刚度过大或氢含量未得到严格控制 时 ，都有可能产生冷裂纹。 4 P 9 2 钢的焊接准备 4 1 设备 、方法及工具 ( 1 )焊接设备 ： 电焊机 ，Z X7 - 4 0 0 S TG( 奥太逆 变式弧焊电源) ； 热处理机，X DJ W- D型 - 4 8 0 k W ( 2 4路 ) ；角 向磨 光 机， 1 0 0 1 2 5 ；远 红 外 或 激 光 测 温 仪，I NF RARE D THE RMO ME T E R AR8 6 2 A；数字钳形表，B M8 2 1 。 ( 2 )焊接方法 ：T I G S MAW ；电源极性 ： 钨极 氩 弧焊 ( TI G) 直流正 接，手 工 电弧焊 ( S MAW) 直 流反接。 ( 3 )工具 ：钢丝刷、榔头、錾子等。 4 2 焊接材料 ( 1 )T I G：T h e r ma n i t MT S 6 1 6 ，规格为 O2 4 ； S MAW：T h e r ma n i t MT S 6 1 6 ，规格 为 02 5及 0 3 2。 ( 2 )焊丝：焊前除掉焊丝表面脏物 ，使其重现 金属光泽 ；焊条 ：焊前在 3 0 03 5 0经 2 h烘干 后 ，置人约 1 0 0的保温筒 中。 ( 3 )焊条放人通电的保温筒中，以便随取随用 。 J 4 3 焊接工艺要求 4 3 1 焊前准备与清理 ( 1 )焊工应通过 P 9 l钢管考试，并经使用 P 9 2 钢焊接材料进行焊前练习，以掌握焊材、母材及焊 机性 能与焊接工艺规范。 ( 2 )焊接前 ，用角向磨光机打磨管件坡 口附近 及其内外壁 l 52 0 mm，使其重现金属光泽。 4 3 2 对 口装配及点 固焊 ( 1 )试件对 口错边量 1 0 mm。 ( 2 )采用点焊骑马板进行点 固焊 ，骑马板可选 用 02 3 5或 1 6 Mn钢 ，在 其表 面 用与 母材 匹配 的 T h e r ma n i t MT S 6 1 6 焊条进行堆焊 。 ( 3 )点 固焊前加热点固焊 区 1 0 01 5 0 mm 范 围到 2 5 03 0 0，选用与正常焊接相 同的焊材及 工艺施焊 ，焊接 电流宜增大 l 0l 5 A。 ( 4 )点固焊 电弧偏 向 “ 骑马板”侧 ，尽量减少 对母材的损伤。 ( 5 )焊接到 “ 骑马板”时，应用机械方法将其 去除 ( 不得强力去 除 ) ，用角磨机 将点固焊焊缝处 打磨平整 ，不得 留有焊疤等痕迹 。经肉眼或低倍放 大镜观察，确认无裂纹等缺陷后 ，方可继续焊接。 ( 6 )在点固焊及正常施焊过程 中，不得在管子 表面试 电流、乱引弧。仔细检查坡 口的钝边 ，确保 钝边不超过 2mm，控制好对 口间隙在 34mm。 5 焊前预热及层间温度 ( 1 )用电脑控制加热器进行电阻加热，焊前用 远红外履带式加热片整圈加热试件长度 。在管外侧 在坡 口外侧对称点焊 4个热 电偶 ，焊接试件时坡 口 边缘约留 l 52 0mm 不覆盖加热片 ，预热及层间 温度工艺曲线如图 1 所示 。 层间温 度 ， 时间，h 图 1 焊前预热及层间温度工艺曲线 一 9一 J 电 力 安 全 技 术 第16 卷( 2 0 1 4 年 第 1 2 期 ) ( 2 )加热至工艺规定的预热温度后保温一定时 间 ，使试件 内外壁温差小于 2 03 O。 ( 3 )热处理机温度表显示温度须用激光测温仪 再次确认 ，热处理机温度仪、热电偶应在标定期限 内，旦其误差符合 D L T8 1 9 2 0 0 2( 火力发 电厂 焊接热处理技术规程 的规定。 ( 4 )焊接过程低于或高于层 间温度时，应立 即 停焊 ，待到规定温度后方可继续施焊 。 6 焊接工艺及工艺规范 6 1 T I G焊接工艺 6 1 1 TI G打底焊 TI G打底焊应焊 2层 ， 焊层厚度为 2 5 mm 3 0 mm， TI G打底焊的工艺参数如表 2 所示。 6 1 2 氩弧焊管内充氩气保护 采用堵板封闭两端，并在一侧堵板上开孔 ( 或 坡 口处 ) 通入氩气。焊缝 内侧对应周向针孔状 出气 孔， 使氩气能够均匀逸出形成气室， 保证充氩效果。 T I G及 S MAW 第 1 层管 内均应充氩气保护 ，氩气 纯度 9 9 9 9。 6 1 3 氩弧焊打底操作技术 ( 1 )开始施焊前，以低于 1 0 0 h的升温速 度加热至预热温度 1 5 0，并至少保持预热温度 3 0 mi n后方可焊接。 ( 2 )对管内充氩气，且氩气流量为 3 0 L ra i n 。 打底前确认保护气体输入正常， 并将管内空气排净。 充氩气 1 0 mi n后，将氩气 流量 调节至 2 5 L rai n， 采用 2人对称焊接根部。 ( 3 )焊接操作先引弧稍拉长电弧预热母材 ，当 形成熔池后立即填丝。引弧时应提前 1 54 S输 送氩气 ，排除氩气输送皮管内及焊 口处的空气 ；熄 弧后，应适当延时 51 5 S 关闭，以保护仍处在高 温状态下的溶池 ，减小焊缝表面的氧化。 ( 4 )氩弧焊打底至少 2 层 ，每层厚度应为 3 mm， 层间温度可以控制在 1 5 02 0 0。打底持续时间 内，需保证 内壁充气不 中断。为防止产生裂纹 ，始 焊处速度不宜过快，并多填充焊丝，使焊缝加厚。 在氩弧焊打底焊过程 中，须及时检查 ，保证打底焊 缝无内凹、 未熔合 、 夹钨、 焊瘤等缺陷， 若发现裂纹 、 气孔或其他焊接缺陷， 应将其彻底铲除后重新施焊 。 打底时不能靠送丝的力量来突出根部 ，熔滴过 渡依靠 自身的表面张力和重力 自然地融人熔池 ，并 注意根部焊缝背面的成型情况。收弧时应注意电流 的衰减速度 ，填满弧坑防止产生裂纹。 6 2 S MA W 焊接工艺 6 2 1 工艺参数确定原则 应严格控制 S MAW 焊层厚度小于 3 mm，单 道焊缝宽度不超过焊条直径的 3倍 ，焊接线能量小 于 2 0 k J c m。S MAW 焊接工艺参数如表 3 所示。 表 3 S M A W焊接工艺参数 6 2 2 清理与检查 每焊完一层后 ，应用角磨机彻底清理焊缝上 的 药皮熔渣 ，特别是 中间接头及坡 口边缘位置。清理 完成且检查无缺陷后 ，才能继续焊下一层。 6 2 3 焊接操作技术 ( 1 )多层多道焊采用 2 人对称施焊 ，以减少焊 接应力与变形。 氩弧焊打底的根层焊缝检查合格后 ， 及时升温至 2 0 0并恒温一定时间，使管 内外壁温 差小 于 2 03 0后进行 S MAw 施焊 。电焊第 l 道采用直径为 2 5 mm 的焊条及小 电流 ，以防止打 底层击穿。为防止根部氧化 ，进行第 1 层手工电弧 焊时应保证 内壁充气不中断。 ( 2 )焊接到塞块时，应将塞块除掉 ，用角向磨 光机或电磨将点焊缝彻底清除。经肉眼或放大镜检 查确认无裂纹等缺陷后，方可继续焊接。焊接时需 注意焊条角度、焊接 电流参数是否正确，且 2人不 得同时在一处收尾 ，以免局部温度过高影响施焊质 表 2 T I G打底焊接工艺参数 一 9一 第 1 6 卷 ( 2 0 1 4 年第 l 2 期) 电 力 安 全 技 术 量 ，焊接 中应将每层焊道接头错开 l 0 1 5 mm，收 弧应平滑，便于清渣和避免出现 “ 死角” 。 ( 3 )要仔细观察熔化状态 ，注意熔池和收尾接 头质量 ，收弧应采用 电流衰减法 ，避免出现弧坑裂 纹。焊缝整体焊接完毕 ，应将焊缝表面药皮熔渣、 飞溅清理干净。 为避免不必要的热过程和工序停顿 ， 免去 电弧焊部分焊至 2 0mm厚度 时中间探伤 ，焊 口一次连续完成。P 9 2管道焊接采用多层多道焊 ， 水平固定位置盖面层 的焊缝每层至少焊 4道 ，且中 间应有 “ 退火焊道” 。 7 焊后热处理 7 1 加热方法及设备 采 用远 红外 履 带 式加 热 片，加 热设 备 选 用 XDJ W- D型 电脑控 制 自动 电热器及 接触 式热 电 偶 ，同时配合激光 ( 远 红外 ) 测温仪 ：I NF RARE D THE RM OM E TER AR8 6 2 A。 7 2 加热宽度 施焊结束，将焊缝两侧的加热片向焊缝 中心方 向移动 ，使其紧密接触并用石棉绒保温 ，方便进行 冷却至 1 0 0及焊后热处理工艺。 7 3 测温点布置与热电偶点固 为保证热电偶和补偿导线布置合理可靠 ，热电 偶丝压焊牢固。补偿导线的型号与热电偶相匹配并 调整极性。 加热时测温点布置在坡 口边缘 3 ( 9 ) ，6 ，1 2点 ， 接触式热 电偶与管壁点焊 良好，避免与加热片直接 接触 ，热电偶外侧与坡 口边缘距离不大于 1 5 mm。 焊后热处理时 ，热 电偶点焊在焊缝宽度 中心。 采用配套 的储能式焊偶仪将其直接压焊在焊缝 ( 管 道 ) 外表 面 ，焊缝 ( 表 面 ) 用砂皮、磨光机等进行 打磨 ，除去油污 、氧化层等 ，形成一小块平整光滑 的表面 ，并露出金属光泽 。焊完后 ，通过轻拽热偶 丝来检查结点是否焊接可靠 。距离测量结点 5 0 mm 范围内的热电偶丝需用厚 2 mm 以上的隔热材料覆 盖 ， 以避免热量从加热器沿着热电偶丝 向结点传递 ； 同时应固定可靠 ， 避免在安装加热器 时碰落或移位 。 除与测量结点外 ，热电偶丝与其他 ( 如管壁 ) 导体 及相互间均需绝缘。热电偶拆卸热处理结束后，剪 断热电偶丝 ，用磨光机轻轻磨去结点 ，然后进行 目 视和渗透检查 。热 电偶 固定采用专用