摘要：通過對T91鋼多種焊接方法試驗研究，采用藥芯焊絲打底實芯焊絲填充、蓋面的鎢極氬弧焊工藝和相應的熱處理工藝有效地解決了爐內管焊接充氬保護的困難，適應現場施工條件，獲得綜合性能良好的焊接接頭。
關鍵詞：T91鋼；焊接；熱處理；力學性能
一、前言
T91鋼(SA213-T91)作為大型發電鍋爐過熱器、再熱器的新型鋼種，日趨成熟，目前被各國廣泛采用。近年來，我國隨著國外機組的引進，帶動了原有鍋爐用鋼的替代步伐。為找出一個更適合現場應用的合理工藝，以指導焊工培訓和規范現場施焊，我們進行了T91鋼(SA213-T91)焊接工藝的研究。
我們通過十四套焊接工藝設計方案的試驗對比，篩選出了以藥芯焊絲作為打底材料，實芯焊絲作為填充及蓋面材料的氬弧焊焊接工藝，表現了很強的實用性，較好的性能指標。
二、試驗研究的技術指標和標準
T91鋼基本化學成分如表1,性能基本要求如表2。
表1 T91鋼化學成分(%)(GB5310-95)
C Si Mn P S Cr Mo Ni Nb V AL N
0.08～0.12 0.20～0.50 0.30～0.60 ≤0.02 ≤0.01 8.0～9.50 0.85～1.05 ≤0.40 0.06～0.10 0.18～0.25 ≤0.04 0.03～0.07
表2 T91鋼性能指標(來自T91/P91鋼管焊接工藝暫行規定)
抗拉強度(Mpa) 屈服強度(Mpa) 延伸率(%) 彎曲角(°) 沖擊韌性(J/cm2) 硬度HB
≥585 ≥415 ≥20 ≥50 ≥68 ≤250
三、設計方案
本次試驗研究，我們根據焊接材料、焊接方法、熱處理方
式、熱處理時間的不同組合方式進行了14種組合試驗見表3，焊接熱處理規范曲線見圖1。
表3 焊材、焊接方法、熱處理方式組合方案
序號 材料組合 焊接方法 焊接位置 層次 熱處理方 式 熱 處 理時間(h) 內壁保護方式
1 藥芯焊絲打底藥芯焊絲蓋面 Ws 5G 2 箱式爐 1 熔渣
2 藥芯焊絲打底實芯焊絲蓋面 Ws 5G 2 箱式爐 1 熔渣
3 藥芯焊絲打底電焊條蓋面 Ws/Ds 5G 2 箱式爐 1 熔渣
4 實芯焊絲打底實芯焊絲蓋面 Ws 5G 2 箱式爐 1 充氬
5 實芯焊絲打底電焊條蓋面 Ws/Ds 5G 2 箱式爐 1 充氬
6 藥芯焊絲打底實芯焊絲填充、蓋面 Ws 2G 3 火焰 0.5 熔渣
7 藥芯焊絲打底實芯焊絲蓋面 Ws 5G 2 火焰 0.5 熔渣
8 藥芯焊絲打底實芯焊絲蓋面 Ws 2G 2 火焰 0.5 熔渣
9 藥芯焊絲打底實芯焊絲填充、蓋面 Ws 5G 3 火焰 0.5 熔渣
10 藥芯焊絲打底實芯焊絲填充、蓋面 Ws 5G 3 遠紅外 1 熔渣
11 藥芯焊絲打底實芯焊絲填充、蓋面 Ws 5G 3 遠紅外 2 熔渣
12 藥芯焊絲打底電焊條填充、蓋面 Ws/Ds 5G 3 遠紅外 2 熔渣
13 藥芯焊絲打底實芯焊絲填充、蓋面 Ws 5G 3 遠紅外 4 熔渣
14 藥芯焊絲打底實芯焊絲填充、蓋面 Ws 5G 3 遠紅外 4 熔渣
圖1 焊接熱處理規范曲線
四、焊前準備
1. 試驗所用T91鋼材、藥芯焊絲及實芯焊絲化學成分復驗。
T91鋼材、藥芯焊絲及實芯焊絲化學成分復驗見表4
表4 T91鋼材、藥芯焊絲及實芯焊絲化學成分復驗
鋼材或焊材型(牌)號、規格 C Ni Si Mn P S Mo Cr V
T91φ42×6 0.08 / 0.30 0.41 0.017 0.004 1.02 8.36 0.78
TGS-9cbφ2.4 0.08 0.74 0.13 1.01 0.007 0.007 0.88 9.06 0.18
YR91Wφ2.5 0.08 0.81 0.52 0.575 0.017 0.012 1.05 9.50 0.258
注：⑴T91鋼復驗由河北省冶金研究所試驗并出具報告
⑵YR91W焊絲化學成分數據由焊絲生產單位,河北省電力試驗研究所提供。
⑶TGS-9cb焊絲化學成分生產廠家材質單提供。
2．了解藥芯焊絲力學性能：
藥芯焊絲力學性能見表5
表5 藥芯焊絲力學性能指標(760℃×2小時)
試驗項目 σs(Mpa) σb(Mpa) δ5(%)
保 證 值 ≥415 ≥585 ≥17
注：本表數據由原生產廠材質證明提供。
3．焊接操作人員：
由持證合格焊工施焊，為減少焊接過程中人為因素影響，所有試件均由一人施焊，焊接過程嚴格執行焊接規范參數,由專人進行全過程記錄。
4.電焊機及工器具：
電焊機采用性能穩定,工藝性能良好的逆變焊機，工器具合格。見表6。
表6 電焊機及工器具表
焊機型號 焊槍型號 流量計型號
IGBT-ZX7-500 QQ-85/150 L-30
5.焊接測量儀器：
焊接測量儀器經檢查合格。見表7
表7 焊接測量儀器
名 稱 型 號 功 能
焊接參數記錄儀 MHJ 記錄焊接參數
紅外
測溫儀 ST80 測量予熱溫度、層間溫度
秒 表 E7-2 手工計時
溫濕度表 JWS-A1 環境測量
6.試件規格及坡口尺寸：
圖2使用藥芯焊絲、實芯焊絲打底試件坡口尺寸
⑴試件坡口尺寸見(圖2)
⑵試件規格：φ42×6×100
⑶試件坡口角度：藥芯焊絲27°±0.5 實芯焊絲30°±0.5
⑷試件清理：試件坡口清潔無污物，露出金屬光澤，內外壁
10-20mm范圍內磨光機打磨鐵銹、污物，露出金屬光澤。
⑸試件對口間隙：藥芯焊絲施焊時對口間隙2.6～2.8mm
實芯焊絲施焊時，對口間隙2.3～2.5mm。
⑹所用焊絲使用前清除油銹、污物，露出金屬光澤。
⑺所用焊條使用前經350℃恒溫2小時烘干。
⑻錯邊量：小于0.5mm。
⑼角變形：小于2°
五、施焊過程
為保證施焊過程操作規范，數據準確，事先對所有焊接設備測量儀器進行調試、修驗，焊工進行模擬練習，制作焊接記錄表，進行人員分工，焊接人員、測試人員、記錄人員，輔助人員，各負其責，互相配合，保證施焊過程記錄準確、完整。
六、試驗項目
根據SD 340-89《焊接工藝評定規程》的要求及試驗設計方案的內容，試驗項目及對比內容見表8、表9。
表8 試驗項目
接頭型式 外觀檢查 無損探傷 斷口檢驗 機械性能
射線 拉伸 面彎 背彎 沖擊 硬度
對接 要求 要求 要求 要求 要求 要求 要求 要求
表9 對比項目及內容
項 目 試驗及比較內容
焊接方法及材料組合 /
焊 接 工 藝 操作難易程度、焊工技術要求、輔助工藝
熱 處 理 方式、適應性、操作難度、使用效果。
熱 處理時間 比較效果
檢 驗 外觀檢查、X光透照、斷口檢查
性 能 拉伸、沖擊、彎曲、硬度
金 相 焊縫及熱影響區組織
七、試驗分析
1.焊接方法及材料組合分析
焊接方法及焊接材料的組合，是進行焊接工藝試驗的主要內容，組合方案直接影響試驗結果。具體分析如下：
(1)實芯焊絲打底，管內充氬解決焊縫內側氧化問題的焊接工藝為國內大多數單位所選擇。但此方案施焊過程中，特別是電廠檢修過程中，充氬工藝復雜，封堵困難，充氬量大，且質量難以穩定，受環境制約較多，輔助工作量大。
(2)全藥芯焊絲打底、填充、蓋面，速度慢，層數多，清渣量大，易夾渣，效率低，操作技術要求相對高。
(3)電焊蓋面(包括實芯焊絲打底和藥芯焊絲打底)，蓋面時需要倒換極性，打底層正接、電焊條填充蓋面須反接。檢修現場狹窄，焊機難以在操作現場近前調整電流，倒換極性操作繁雜、耗時、費力且小徑管電焊條蓋面操作困難，技術要求高，質量難以保證。
(4)藥芯焊絲打底實芯焊絲蓋面，既解決了充氬困難的問題，不用倒極性，底層清渣量較小，比藥芯焊絲填充快，操作較易的優點，質量穩定。
2.焊接工藝
焊接工藝是焊接技術的核心，焊接工藝的好壞直接影響焊接質量的優劣，焊接工藝參數見表9
表9 焊接工藝參數
序號 材料組合 焊接電流(A) 焊接時間 層次 極性 輔助工藝 備注
1 藥芯焊絲打底藥芯焊絲蓋面 86～90 13′20″～15′18″ 3 正接 清渣3次 焊接時間不包括清渣
2 藥芯焊絲打底實芯焊絲蓋面 86～90100～104 10′20″～11′17″ 3 正接 清渣1次 焊接時間不包括清渣
3 藥芯焊絲打底電焊條蓋面 85～8960～80 6′59″～7′21″ 3 正反 清渣3次 焊接時間不包括清渣
4 實芯焊絲打底實芯焊絲蓋面 100～104 8′36″～10′26″ 3 正接 充氬
5 實芯焊絲打底電焊條蓋面 100～10460～80 6′14″～6′47″ 3 正反 充氬清渣3次 焊接時間不包括清渣
從焊接工藝講，藥芯焊絲打底實芯焊絲蓋面,避免了繁雜的充氬過程,不用倒換極性,焊接時間居中,線能量居中, 清渣次數少，輔助時間短。
3．熱處理方式及時間
熱處理是改善焊縫金屬組織減少焊接殘余應力改善焊接接頭性能的重要手段，是保證焊接質量的必不可少的工藝過程。
采用處理方法見表10
表10 熱處理方式
設備名稱 型號 加熱方式 溫度控制 保溫控制 實用性
箱式電爐 RX-30-9 電阻 連續 自動 室內固定
遠紅外履帶
加熱器 WKG-C 遠紅外電熱 自控 自動 移動
火 焰 氧乙炔 火焰 人工 人工 移動
三種熱處理方式比較：
(1)火焰加熱對于一些工藝要求不高的工件來講不失為一靈活
方便，適應性好的方式，但對于高合金鋼來講，溫度難以控制，受熱溫度不均勻，對熱處理效果不理想。
(2)箱式爐加熱均勻，處理量大，但不適合現場應用，僅作為試驗使用或試件熱處理好。
(3)遠紅外加熱器，適合現場使用，移動靈活方便，能自動控制記錄熱處理參數，為工作提供可靠數據。
以藥芯焊絲打底，實芯焊絲蓋面，三種熱處理方法沖擊韌性及硬度值見表11。
表11
方 式 沖 擊 值akv(J/cm2) 保溫(h) 硬度(HB)
1 2 3 4 焊縫 母材
箱式電爐 125.7 50 107.5 105 1 192 185 157 157
遠紅外履帶加熱器 205 65 120 185 4 / / / /
遠紅外履帶加熱器 257.5 267.5 240 248.7 2 215 239 199 174
遠紅外履帶加熱器 85 62.5 50 40 1 / / / /
火 焰 116.2 58.7 17.5 32.5 0.5 278 229 143 156
4．檢驗
焊接檢驗是檢查焊工技術水平及焊口質量的重要工序，本
次試驗的檢驗項目包括外觀、斷口、X光無損探傷，各項檢驗結果均符合SD 340-89標準要求。
5．性能試驗
經對焊接試樣作拉伸試驗全部斷在母材,說明焊縫拉伸強度高于母材；彎曲試驗全部合格，說明焊縫韌性良好；金相組織正常，焊縫組織為回火馬氏體；箱式爐及遠紅外履帶式加熱器熱處理后的焊接接頭沖擊值、硬度值符合標準，火焰熱處理的硬度表現了不均勻性，差距較大，沖擊值高低差6倍以上，火焰熱處理不可取。試驗項目拉伸、彎曲、沖擊、硬度等綜合比較，采用藥芯焊絲打底，實芯焊絲填充、蓋面的焊接工藝是一種綜合指標較好的焊接工藝方法。
八、結論
通過本試驗研究并對試驗結果比較證明：
1.藥芯焊絲(YR91W)打底，實芯焊絲(TGS-9cb)填充蓋面組合焊接工藝是先進的，此工藝有著不可比擬的優越性和發展前景。
2.焊后熱處理方式采用遠紅外履帶式加熱器，熱處理時間2小時最好。
3.此工藝密切聯系生產實際,適合檢修現場。
