窦怀武1 ，费永敏2
（1．国电靖远发电有限公司，白银 730919；2。大唐甘肃分公司焊培中心，兰州 730060）
1.前言
随着在电力工业的飞速发展，高参数、大容量、环保节能机组的不断涌现。必然涉及到所用钢材等级提高、品种增多、焊接结构日趋复杂等诸多不利因素，对金属材料的焊接可靠性及焊接修复工作提出了更高的要求，大型电站检修焊接不仅要求焊接工作适应不断变化的钢材规格、品种及结构的需要，同时要求有足够的焊接可靠性以及伴随产生的结构可修复性。目前随着异种结构的广泛应用，焊接难度增加。这就要求广大焊接工作者除了熟练掌握同种钢材工艺的前提下，及时了解和掌握新材料、新工艺，设备更新，更重要的应是对多种异种结构的焊接工艺进一步的研究运用，评定实验制定科学合理的焊接工艺，提供有效的技术支撑，在人员素质等诸方面调动焊接工作者的整体力量，使之尽快转化为生产力，是众多电站一线焊接工作者面临的首要课题。本文通过对靖远第二发电公司2000年300MW机组#5炉高温段再热器爆管更换减薄管的过程中出现的T91/12Cr1MoV异种钢焊口易出现的缺陷，会同大唐甘肃发电有限公司焊培中心，通过焊接工艺评定试验，在焊材选择、工艺参数选择等方面作了详细论述，形成了一套严格及详细的焊接工艺及及操作技术规范，保证了换管焊接质量。
2.T91/12Cr1MoV异种钢焊接性分析
2.1 SA213 -T91钢是一种改进的9CrlMo钢，它是在9Cr1Mo钢的基础上通过添加V、Nb等微量元素形成的。具有较低的热膨胀系数和良好的导热性，抗拉强度和屈服强度较高，特别是在高温下具有较高的蠕变强度和持久强度及许用应力。在美国材料试验学会 (ASTM)和美国机械工程师学会(ASME)标准中，T91代表锅炉用小管子，属马氏体钢．具有良好的冲击性能和高温强度，目前，常用于火电厂锅炉过热器和再热器管等。12CrlMoV钢是一种常见的珠光体耐热钢．应用广泛，常用来制造壁温≤580℃ 的高压、超高压锅炉过热器管、联箱和主蒸汽管道等，具有较好的焊接性能。
2.2 SA213 - T91 属于马氏体耐热钢,12Cr1MoV 属于珠光体耐热钢,化学成分及常温机械性能见表1、2。前者淬硬倾向大,焊接性能差。焊缝及热影响区极易产生高硬度马氏体和贝氏体组织,使接头脆性增加,残余应力增大,导致产生冷裂纹。后者由于含碳及合金元素较多,焊缝及热影响区容易出现淬硬组织,当焊件刚性及接头应力大时,容易产生冷裂纹,焊后热处理过程中易于产生再热裂纹。当将其两种耐热钢对焊时,施焊难度较大。
为此，对T91与12Crl MoV异种钢的焊接要依据马氏体钢与珠光体钢的焊接原则进行考虑。
表1。SA213 - T91 与12Cr1MoV 钢化学成分( %)
|
成分 钢号 |
C |
si |
Mn |
Cr |
M0 |
V |
Ni |
Nb |
AL |
P |
S |
|
12Cr1MoV |
0.08～ 0.15 |
0.7 |
17～ 0.37 |
0.9～ 1.2 |
0.25～ 0.35 |
0.15～ 0.30 |
/ |
/ |
/ |
<0.035 |
<0.035 |
|
T91 |
0.08～ 0.12 |
0.20～ 0.50 |
0.30～ 0.60 |
8～ 9.5 |
0.85～ 1.05 |
0.18～ 0.25 |
≤0.04 |
0.06～ 0.10 |
<0.04 |
≤0.02 |
≤0.01 |
表2。12CrMoV钢和TP91钢母材的常温机械性能
|
性能指标 |
σs(Pa) |
σb(Pa) |
δ5（％） |
HB |
|
T91 |
≥415 |
≥585 |
≥20 |
≤250 |
|
12Cr1MoV |
≥255 |
471～638 |
≥21 |
≤166 |
3.焊接时出现的问题
3.1 T91含有Cr、Mo、V、Cb等强碳化物元素，焊接时焊缝从高温冷却时易产生淬硬性的马氏体组织，焊缝有很大冷、热裂倾向。
3.2两种母材含有很多的合金元素，其熔融金属的流动性差，焊接时还产生较多的熔渣。
3.3由于马氏体钢导热性差，焊接应力不能得到充分释放，焊后焊缝的残余应力很大。
3.4焊前不预热，冷裂纹的出现不可避免。为此，为止产生冷裂纹，焊前必须预热（预热温度200-250℃），并在焊接过程中保持层间温度不低于预热温度。考虑到冷却速度过慢，会奥氏体向铁素体转变，预热及层问温度不宜过高，但不可超过260℃为易。
3.5焊后不易立即进行高温回火处理，一方面可进行消氢处理，减少热应力，防止在冷却程中裂纹的产生；另一方面，进行一定时间的恒温后热处理，可使接头高温金属实现由奥氏体向马氏体的充分转变，从而避免残余奥氏体组织在回火冷却后转变成新的朱回火马氏体。后热处理完成后，应及时进行高温回火处理，750 ℃±10 ℃，保温30 min的热处理。升温速度<300℃／h，冷却速度<300℃／h。冷却至300℃以下可不控制。以得到综台性能良好的回火索氏体组织，并消除焊接残余应力。
3.6焊接接头性能的劣化程度随焊接线能量的增大而加剧。
3.7焊接接头由于化学成分和金相组织不同，膨胀系数也不同，在焊接时会产生较大的残余应力。
因此，异种钢焊接时，如焊接工艺选择不当，焊工操作不当，很容易产生焊接冷、热裂纹、
夹渣等缺陷．为了得到优质的焊接接头，有必要从焊接工艺及参数、焊工操作技术等方面进行严格控制。
4.T91与12Cr1MoV异种钢焊接工艺试验
4.1焊接方法及设备：TIG焊；ZX7-400IGBT。
4.2材料的规格及焊接位置与试件数量：Φ63.5×4.5；水平固定与垂直固定个5件。
4.3焊接材料的选择：选用TGS-9Cb,Φ2.0焊丝，焊丝的化学成分见表3。
4.3.1选择焊接材料的正确是异种钢焊接时的关键，接头质量和性能与焊接材料关系十分密切。选择时应考虑在焊接接头不产生裂纹等缺陷的前提下，若不可能兼顾焊缝金属的强度和塑性，则应选用塑性较好的焊接材料；异种钢焊接材料的焊缝金属性能只需符合两种母材中的一种即认为满足技术要求；焊接材料应具有良好的工艺性能．焊缝成形美观；焊接材料应经济、易得。
4.3.2 珠光体钢与马氏体钢异种钢焊接接头热处理时在熔合区可能发生c扩散，井留下一个c扩散层，如果用高匹配焊接材料进行焊接，则C扩散层转移到珠光体钢母材一侧。因珠光体钢有较好塑性，C扩散层即使在珠光体钢这一侧，其接头塑性也较好，利于提高接头的热强性。
综上所述，选择焊接材料应综台考虑上述各个方面，而不能简单依据某种原则。为此，对于T91与12CrlMo异种钢焊接采用高匹配焊接材料应是较好的选择。
表3。TGS-9Cb焊丝化学成分（%）
|
元素 |
C |
SI |
Mn |
P |
S |
NI |
Cr |
|
含量 |
0.08 |
0.20 |
0.95 |
0.006 |
0.006 |
0.69 |
9.02 |
4.4焊前准备
4.4.1清理焊逢缝两侧20mm内外壁的油锈污蚀等,直至发出金属光泽。
4.4.2增大坡口角度,增加焊接层数,这样可以减小熔合比,可以有效降低珠光体母材对焊逢的稀释作用。所以采用60°-70°的坡口，小钝边，大间隙。
4.4.3坡口形式、焊接顺序及充氩方式如下图1、2、3所示：
图3。充氩方式
4.5焊接工艺参数
由于采用手工钨极氩弧焊，氩弧焊的熔合比范固较大．因而．控制好焊接工艺参数对降低熔合比有直接的影响。焊接热输入越大．母材熔人焊缝越多，而焊接热输入又取决于焊接电流、电弧电压和焊接速度等工艺参数，因而在焊接时应在保证焊缝组织正常、熔合区硬化程度正常的前提下，采用小的工艺参数以减少热输入，降低熔合比。
水平固定管、垂直固定管焊接工艺参数见表4、表5。
表4。水平固定焊接工艺参数
|
层数 |
焊接 方法 |
焊条（丝） |
电流范围 |
电压 （V） |
速度（mm/min-1） |
氩气流量 （L/min-1） |
|
|||
|
牌号 |
直径 |
极性 |
电流（A） |
|
||||||
|
正面 |
反面 |
|
||||||||
|
1 |
TIG |
TGS-9Cb |
Φ2.0 |
DG+ |
80-90 |
19～25 |
70-80 |
8-10 |
10-12 |
|
|
2 |
TIG |
TGS-9Cb |
Φ2.0 |
DG+ |
85-95 |
19～25 |
65-75 |
8～10 |
10-12 |
|
表5。垂直固定焊接工艺参数
|
层 数
|
焊接
方法 |
焊条（丝） |
电流范围 |
电压
（V） |
速度 (mm/min-1) |
氩气流量 （L/min-1） |
|
|||
|
牌号 |
直径 |
极性 |
电流（A） |
|
||||||
|
正面 |
反面 |
|
||||||||
|
1 |
TIG |
TGS-9Cb |
Φ2.0 |
DG+ |
75-85 |
19～25 |
60-65 |
8～12 |
10-12 |
|
|
2 |
TIG |
TGS-9Cb |
Φ2.0 |
DG+ |
80-90 |
23～25 |
65-75 |
8--12 |
10-12 |
|
5.焊接操作技术要点
5.1焊接过程中内壁充氩，保护焊缝背面，防止氧化。
5.2接头必须在自由状态下组对，不得强行点固焊接,以防止焊缝产生较大的拘束应力。
5.3焊接时，预热温度和焊热处理应在保证接头质最的前提下进行，采取较小的工艺参数比较合适。
5.4合金元素多，焊接时产生较多的熔渣，每次熄弧后，必须打磨熄弧处，以减少杂质聚集．
5.5熔融金属的流动性差，且焊接位置为全位置，因此，焊工在焊接时要通过调整焊接参数，运用好操作技术，在焊缝仰位部位，熔滴下挂，操作不当时，内侧焊缝极易产生内凹．因此焊工操作时，应采用电流上限，利用电弧的吹力托住熔滴进行焊缝成形，避免焊缝产生内凹；在仰位向立位过渡区域，熔滴下挂，操作不当时，内侧焊缝易产生内凹，因此焊工操作施焊中应充分利用维弧电流调节焊接熔池形状，利用电弧的吹力托住熔滴避免焊缝产生内凹；在平焊位置，熔滴下挂，内侧焊缝极易下挂并产生焊瘤。因此焊工操作时，应采用外加丝，加快施焊速度，控制焊接熔池形状，避免焊缝内侧产生焊瘤。
6.焊接试样检验结果
6.1焊后经外观检验合格，取二件进行断口试验，结果全部合格。
6.2焊件进行X射线探伤，结果全部为I级，符合标准要求。
6.3 T91/12Cr1MoV焊接试件模拟工艺力学性能见表6，面弯、背弯各二件,试验结果无裂纹。
表6 模拟工艺力学性能统计表
|
项目 部位 |
σS MPa |
σb MPa |
δ10 % |
Ψ% |
AK（V） J |
HB |
其他 |
|
|
水平固定 |
焊缝 |
552.0 |
663.0 |
14.5 |
71.5 |
96,116,120 |
224 |
拉力断于母材 |
|
热影响区 |
545.5 |
672.0 |
14.5 |
71.5 |
198,210,217 |
195 |
拉力断于母材 |
|
|
母材 |
-- |
-- |
-- |
-- |
216,217,224 |
195 |
|
|
|
垂直固定 |
焊缝 |
513.0 |
653.0 |
14.5 |
71.5 |
128,138,146 |
227 |
拉力断于母材 |
|
热影响区 |
535.0 |
657.0 |
15.0 |
71.5 |
224,228,236 |
197 |
拉力断于母材 |
|
|
母材 |
-- |
-- |
-- |
-- |
226,228,232 |
197 |
|
|
注：拉力试样断于母材，侧面弯曲大于500，断面未见缺陷，射线拍片均为一级片。
6.4 T91/12Cr1MoV焊接试件微观金相检验结果见7。焊接接头的金相检验结果，组织为回火索氏体、板条马氏体，未发现宏观缺陷、微观裂纹及网状组织，说明焊接材料的选择与使用，预热温度、层间温度的控制和热处理规范是正确的但从组织分析，原奥氏体晶粒粗大，马氏体的位向比较明显，焊缝金相组织见图4。
表7。T91/12Cr1MoV焊接试件微观金相检验结果
|
取样位置 |
微观组织 |
|
|
母材 |
2G |
12Cr1MoV侧组织：铁素体＋珠光体 T19侧组织：回火索氏体 |
|
5G |
12Cr1MoV侧组织：铁素体＋珠光体 T19侧组织：回火索氏体 |
|
|
焊缝 |
2G |
回火马氏体 |
|
5G |
回火马氏体 |
|
|
热影响区 |
2G |
12Cr1MoV侧组织：铁素体＋珠光体 T19侧组织：回火马氏体＋回火索氏体 |
|
5G |
12Cr1MoV侧组织：铁素体＋珠光体 T19侧组织：回火马氏体＋回火索氏体 |
|
金相照片400× 扫描电镜照片500×
图4。焊缝金相组织
7.结论
7.1选用高匹配的TGS-9Cb焊接材料是合适的。
7.2采用合适的焊接工艺(包括充氩保护、预热温度、层间温度的控制、焊接工艺参数的选择
等)是T91/12Crl MoV异种钢小径管获得优质焊接接头的关键．
7.3严格控制焊前预热在150℃以上，层间温度在260℃以下是避免焊缝从高温冷却时产生淬硬性的马氏体组织和防止焊接裂纹的重要环节。
7.4实际检修焊接中．必须结合具体条件，对每个焊接工艺参数慎重考虑，必要时，先进行工艺试验，然后再正式焊接。
7.5机组实际运行至今工作状况良好，说明该工艺可行，对于焊接此类异种钢小径管有较高的现场指导作用。
参考文献：
[1]张金昌．锅炉、压力容器的焊接裂纹与质量控制[M]．天津：天津科学技术出版社.1985
[2]周振丰，张文钺. 焊接冶金与金属焊接性【M】.北京：机械工业出版社.I988
[3]钱吕黔 . 耐热钢焊接[Ml.北京：水利电力出版社.1988
[4]《火力发电厂异种钢焊接技术规程》DL/T 752-001
[5]《火力发电厂焊接技术规程》DL/T869-2004
备注：此篇论文被评为二类优秀论文并收入到《中国职工焊接技术协会2008焊接技术论文集》。