T91钢(SA213-T91)焊接工艺研究

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一、前言
T91钢(SA213-T91)作为大型发电锅炉过热器、再热器的新型钢种，日趋成熟，目前被各国广泛采用。近年来，我国随着国外机组的引进，带动了原有锅炉用钢的替代步伐。为找出一个更适合现场应用的合理工艺，以指导焊工培训和规范现场施焊，我们进行了T91钢(SA213-T91)焊接工艺的研究。
9 ]# E3 H4 D' n/ c  {6 `我们通过十四套焊接工艺设计方案的试验对比，筛选出了以药芯焊丝作为打底材料，实芯焊丝作为填充及盖面材料的氩弧焊焊接工艺，表现了很强的实用性，较好的性能指标。

二、试验研究的技术指标和标准
( j0 m3 u# v% Z7 O. n
T91钢基本化学成分如表1,性能基本要求如表2。

表1　T91钢化学成分(%)(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
4 ]2 l% i+ K) m' J/ @
表2　T91钢性能指标(来自T91/P91钢管焊接工艺暂行规定)
1 i$ a1 N& h2 j1 J) [+ W# l; e# L抗拉强度(Mpa) 屈服强度(Mpa) 延伸率(%) 弯曲角(°) 冲击韧性(J/cm2) 硬度HB
5 Y" J( L3 c. }& B≥585 ≥415 ≥20 ≥50 ≥68 ≤250

三、设计方案
# q. _) j. J6 I3 k1 i$ X% W
本次试验研究，我们根据焊接材料、焊接方法、热处理方
& T7 d# e7 E, z式、热处理时间的不同组合方式进行了14种组合试验见表3，焊接热处理规范曲线见图1。
' b2 X6 s4 d" l/ x+ {
表3　焊材、焊接方法、热处理方式组合方案
* h) d; v0 L6 Z4 L( \4 j序号 材料组合 焊接方法 焊接位置 层次 热处理方　式 热 处 理时间(h) 内壁保护方式
9 X) _- D" A1 K3 d1 药芯焊丝打底药芯焊丝盖面 Ws 5G 2 箱式炉 1 熔渣
! j" |9 e( H! _# p0 \1 s8 R' t2 药芯焊丝打底实芯焊丝盖面 Ws 5G 2 箱式炉 1 熔渣
3 药芯焊丝打底电焊条盖面 Ws/Ds 5G 2 箱式炉 1 熔渣
4 实芯焊丝打底实芯焊丝盖面 Ws 5G 2 箱式炉 1 充氩
5 实芯焊丝打底电焊条盖面 Ws/Ds 5G 2 箱式炉 1 充氩
6 药芯焊丝打底实芯焊丝填充、盖面 Ws 2G 3 火焰 0.5 熔渣
3 t! e  u+ {# _2 C; t0 D: x, _! a2 j7 药芯焊丝打底实芯焊丝盖面 Ws 5G 2 火焰 0.5 熔渣
# [$ S. u4 M% Y8 药芯焊丝打底实芯焊丝盖面 Ws 2G 2 火焰 0.5 熔渣
9 药芯焊丝打底实芯焊丝填充、盖面 Ws 5G 3 火焰 0.5 熔渣
10 药芯焊丝打底实芯焊丝填充、盖面 Ws 5G 3 远红外 1 熔渣
11 药芯焊丝打底实芯焊丝填充、盖面 Ws 5G 3 远红外 2 熔渣
4 c7 Z8 {7 x% \7 T12 药芯焊丝打底电焊条填充、盖面 Ws/Ds 5G 3 远红外 2 熔渣
( n1 e2 K$ Y' R8 T6 p13 药芯焊丝打底实芯焊丝填充、盖面 Ws 5G 3 远红外 4 熔渣
14 药芯焊丝打底实芯焊丝填充、盖面 Ws 5G 3 远红外 4 熔渣
' J& t( i0 J; c, g: H

http://www.c-cnc.com/news/file/2007-7/200771784525.gif

图1　焊接热处理规范曲线

四、焊前准备
: V0 _2 U' I* Q3 a; Y+ ?
. l0 C8 y8 y7 S6 m, `' m7 o# m3 O1. 试验所用T91钢材、药芯焊丝及实芯焊丝化学成分复验。
7 R4 L" I# t( M* s" o! c5 {
4 \) P% L4 x0 R* |% S6 L- LT91钢材、药芯焊丝及实芯焊丝化学成分复验见表4

表4　T91钢材、药芯焊丝及实芯焊丝化学成分复验
' B( d' p+ d" }% x1 W2 I8 d% h, y* ?钢材或焊材型(牌)号、规格 C Ni Si Mn P S Mo Cr V
8 w, O2 u; I' PT91φ42×6 0.08 / 0.30 0.41 0.017 0.004 1.02 8.36 0.78
0 t4 y* B% y9 QTGS-9cbφ2.4 0.08 0.74 0.13 1.01 0.007 0.007 0.88 9.06 0.18
) w7 J& K. O8 c7 zYR91Wφ2.5 0.08 0.81 0.52 0.575 0.017 0.012 1.05 9.50 0.258
9 z. b7 ?- W2 H注：⑴T91钢复验由河北省冶金研究所试验并出具报告
! [, q7 p3 Z9 k6 a. J⑵YR91W焊丝化学成分数据由焊丝生产单位,河北省电力试验研究所提供。
6 r" s, [, ^) ?⑶TGS-9cb焊丝化学成分生产厂家材质单提供。

+ s7 P- b- [6 R" d4 m1 l0 ~- A2．了解药芯焊丝力学性能：
4 D; ]# v4 R0 z! b
药芯焊丝力学性能见表5
8 f! _/ G- ?. S7 e( g' [
9 y4 W2 @% Y$ t表5　药芯焊丝力学性能指标(760℃×2小时)
试验项目 σs(Mpa) σb(Mpa) δ5(%)
% r) K$ w# M% V: o保 证 值 ≥415 ≥585 ≥17
# o1 Z3 {+ p9 b; ^4 D$ h, Y注：本表数据由原生产厂材质证明提供。

3．焊接操作人员：
5 K$ P/ `/ \6 _4 E
. T; `/ a0 z& |' B' |由持证合格焊工施焊，为减少焊接过程中人为因素影响，所有试件均由一人施焊，焊接过程严格执行焊接规范参数,由专人进行全过程记录。

4.电焊机及工器具：

. j0 p& s0 X7 }7 A' P) {- `电焊机采用性能稳定,工艺性能良好的逆变焊机，工器具合格。见表6。

0 s2 _0 b3 O' D4 A5 o  N表6 电焊机及工器具表
焊机型号 焊枪型号 流量计型号
IGBT-ZX7-500 QQ-85/150 L-30
% }0 j, G. }: R4 v; t. c  E
- J7 V% w( g- U  }5 G+ W& f5.焊接测量仪器：
  h  O3 }. E' p% O3 ]5 v
焊接测量仪器经检查合格。见表7

表7　焊接测量仪器
5 t1 b; E3 A( m: p8 o: W名　　 称 型　 号 功　　 能
焊接参数记录仪 MHJ 记录焊接参数
红外测温仪 ST80 测量予热温度、层间温度
* n/ T6 H" e4 K' A2 t1 U8 Q秒　　表 E7-2 手工计时
! u' h" h+ Y. v, J温湿度表 JWS-A1 环境测量

7 W+ {4 |7 i) k1 t3 W+ ]1 n1 B* Z6.试件规格及坡口尺寸：

http://www.c-cnc.com/news/file/2007-7/200771784920.gif

图2使用药芯焊丝、实芯焊丝打底试件坡口尺寸

⑴试件坡口尺寸见(图2)
* g1 F! q7 I& N⑵试件规格：φ42×6×100
⑶试件坡口角度：药芯焊丝27°±0.5 实芯焊丝30°±0.5
/ N/ E; s2 s0 g0 N! N- w$ s⑷试件清理：试件坡口清洁无污物，露出金属光泽，内外壁
10-20mm范围内磨光机打磨铁锈、污物，露出金属光泽。
⑸试件对口间隙：药芯焊丝施焊时对口间隙2.6～2.8mm
实芯焊丝施焊时，对口间隙2.3～2.5mm。
⑹所用焊丝使用前清除油锈、污物，露出金属光泽。
" _* D: d0 W% F# q: g- D3 N⑺所用焊条使用前经350℃恒温2小时烘干。
⑻错边量：小于0.5mm。
⑼角变形：小于2°
' _. D( w; q% u
$ r: L1 c) T2 w2 \5 E/ a3 a, A- R五、施焊过程
( q6 O0 g- ]- ~' s4 V! x, ]0 k, ?0 s
为保证施焊过程操作规范，数据准确，事先对所有焊接设备测量仪器进行调试、修验，焊工进行模拟练习，制作焊接记录表，进行人员分工，焊接人员、测试人员、记录人员，辅助人员，各负其责，互相配合，保证施焊过程记录准确、完整。

六、试验项目

根据SD 340-89《焊接工艺评定规程》的要求及试验设计方案的内容，试验项目及对比内容见表8、表9。
& E, H4 q, M; x- [0 H2 K; ^- [6 }5 o
表8　试验项目
% ?2 T" K+ `2 r6 R接头型式 外观检查 无损探伤 断口检验 机械性能
射线 拉伸 面弯 背弯 冲击 硬度
  ?, r. M1 Y* w$ H! e6 [对接 要求 要求 要求 要求 要求 要求 要求 要求
6 z( u% v1 o9 g' I8 {4 p5 t表9　对比项目及内容
' e" Y2 s% j* I) O: K0 m1 [项　　 目 试验及比较内容
焊接方法及材料组合 /
焊 接 工 艺 操作难易程度、焊工技术要求、辅助工艺
热　处　 理 方式、适应性、操作难度、使用效果。
热 处理时间 比较效果
; z8 x: K3 k" n$ K9 r3 Q, N检　　 验 外观检查、X光透照、断口检查
性　　 能 拉伸、冲击、弯曲、硬度
金　　 相 焊缝及热影响区组织

1 y  H3 ~. N; v$ I七、试验分析
6 L+ b/ r; ?8 M) q' m8 r6 X9 Z! H
' Y( _) O" a* S2 O6 F$ @1.焊接方法及材料组合分析
5 p( ~, a. ^& ]- l0 B' M5 u$ z
) a8 u! ^* W5 U* k7 G- b0 x焊接方法及焊接材料的组合，是进行焊接工艺试验的主要内容，组合方案直接影响试验结果。具体分析如下：

(1)实芯焊丝打底，管内充氩解决焊缝内侧氧化问题的焊接工艺为国内大多数单位所选择。但此方案施焊过程中，特别是电厂检修过程中，充氩工艺复杂，封堵困难，充氩量大，且质量难以稳定，受环境制约较多，辅助工作量大。
% V# X1 v* g  |, F9 J) X) e(2)全药芯焊丝打底、填充、盖面，速度慢，层数多，清渣量大，易夹渣，效率低，操作技术要求相对高。
+ V0 c3 \0 ?" v1 h- E' h3 ]' z0 ^(3)电焊盖面(包括实芯焊丝打底和药芯焊丝打底)，盖面时需要倒换极性，打底层正接、电焊条填充盖面须反接。检修现场狭窄，焊机难以在操作现场近前调整电流，倒换极性操作繁杂、耗时、费力且小径管电焊条盖面操作困难，技术要求高，质量难以保证。
; \! g2 f5 W* q, c(4)药芯焊丝打底实芯焊丝盖面，既解决了充氩困难的问题，不用倒极性，底层清渣量较小，比药芯焊丝填充快，操作较易的优点，质量稳定。

0 Z3 D" I3 `* X! f' ]2.焊接工艺
- k, }* u, \0 q
焊接工艺是焊接技术的核心，焊接工艺的好坏直接影响焊接质量的优劣，焊接工艺参数见表9
* z1 V2 K& `1 c6 `
表9　焊接工艺参数
序号 材料组合 焊接电流(A) 焊接时间 层次 极性 辅助工艺 备注
+ w" z3 p3 i; c5 C1 药芯焊丝打底药芯焊丝盖面 86～90 13′20″～15′18″ 3 正接 清渣3次 焊接时间不包括清渣
2 药芯焊丝打底实芯焊丝盖面 86～90100～104 10′20″～11′17″ 3 正接 清渣1次 焊接时间不包括清渣
3 药芯焊丝打底电焊条盖面 85～8960～80 6′59″～7′21″ 3 正反 清渣3次 焊接时间不包括清渣
/ R$ G. C& z8 n: s: s+ o. {4 实芯焊丝打底实芯焊丝盖面 100～104 8′36″～10′26″ 3 正接 充氩
5 实芯焊丝打底电焊条盖面 100～10460～80 6′14″～6′47″ 3 正反 充氩清渣3次 焊接时间不包括清渣

6 B9 s( k& U9 q从焊接工艺讲，药芯焊丝打底实芯焊丝盖面,避免了繁杂的充氩过程,不用倒换极性,焊接时间居中,线能量居中, 清渣次数少，辅助时间短。
& q; R# h4 c7 Z6 r5 {8 j7 n
" Z2 p' }$ Q! n+ A7 H! Q3．热处理方式及时间

热处理是改善焊缝金属组织减少焊接残余应力改善焊接接头性能的重要手段，是保证焊接质量的必不可少的工艺过程。
采用处理方法见表10

2 E- q: C; C' I: [5 |& l0 Z8 ~表10　热处理方式
设备名称 型号 加热方式 温度控制 保温控制 实用性
; U+ ~: p& ?' l; B箱式电炉 RX-30-9 电阻 连续 自动 室内固定
& U1 w  ~; N, S$ Q远红外履带加热器 WKG-C 远红外电热 自控 自动 移动
火　 焰 氧乙炔 火焰 人工 人工 移动
& D' G+ N7 H% |6 q' B, l
三种热处理方式比较：
* B# v& J1 ?7 b  w0 B2 }7 U) ^% {
(1)火焰加热对于一些工艺要求不高的工件来讲不失为一灵活
* U0 n7 T; i+ Q0 i6 M# V. `方便，适应性好的方式，但对于高合金钢来讲，温度难以控制，受热温度不均匀，对热处理效果不理想。
(2)箱式炉加热均匀，处理量大，但不适合现场应用，仅作为试验使用或试件热处理好。
(3)远红外加热器，适合现场使用，移动灵活方便，能自动控制记录热处理参数，为工作提供可靠数据。
1 f2 S7 \+ {( |1 D0 @
  d5 X  p2 K% c' B8 L以药芯焊丝打底，实芯焊丝盖面，三种热处理方法冲击韧性及硬度值见表11。

" H9 V6 e" a: z8 a1 v! I& \4 i表11　
, \! W/ I* ^3 u8 ?5 n, F方 式 冲 击 值akv(J/cm2) 保温(h) 硬度(HB)
/ E: I. s1 d; V$ ~; s# |5 a9 J1 2 3 4 焊缝 母材
箱式电炉 125.7 50 107.5 105 1 192 185 157 157
. h6 {% E2 l; q3 J  ~远红外履带加热器 205 65 120 185 4 / / / /
& [5 H% o# Y9 J: K0 r- D* l远红外履带加热器 257.5 267.5 240 248.7 2 215 239 199 174
! C6 d# [$ J6 Z; L远红外履带加热器 85 62.5 50 40 1 / / / /
. E/ }5 B, y5 M$ p5 y: o- v火　　焰 116.2 58.7 17.5 32.5 0.5 278 229 143 156

0 x( q. ^% v3 ?* o# j4 g# T4．检验

焊接检验是检查焊工技术水平及焊口质量的重要工序，本
次试验的检验项目包括外观、断口、X光无损探伤，各项检验结果均符合SD 340-89标准要求。

+ M1 @0 x7 _2 q4 a5．性能试验
0 O2 D, b* ~9 g, `9 W) L2 t# h
经对焊接试样作拉伸试验全部断在母材,说明焊缝拉伸强度高于母材；弯曲试验全部合格，说明焊缝韧性良好；金相组织正常，焊缝组织为回火马氏体；箱式炉及远红外履带式加热器热处理后的焊接接头冲击值、硬度值符合标准，火焰热处理的硬度表现了不均匀性，差距较大，冲击值高低差6倍以上，火焰热处理不可取。试验项目拉伸、弯曲、冲击、硬度等综合比较，采用药芯焊丝打底，实芯焊丝填充、盖面的焊接工艺是一种综合指标较好的焊接工艺方法。
: y3 `, k2 |  W2 z! \
' o+ N! G% I* e6 r9 e  u八、结论

通过本试验研究并对试验结果比较证明：
" `! A: L! w  |! x/ ~6 F
1.药芯焊丝(YR91W)打底，实芯焊丝(TGS-9cb)填充盖面组合焊接工艺是先进的，此工艺有着不可比拟的优越性和发展前景。
2.焊后热处理方式采用远红外履带式加热器，热处理时间2小时最好。
1 l! I( J" T, T4 Y% V' E! |' i3.此工艺密切联系生产实际,适合检修现场。
8 @" g$ m9 L  @- f9 ~* _