T91小徑儀表管焊材選用工藝試驗(yàn)

王影建，梁艷玲，星建民，范紹林

1.北京科技高級(jí)技術(shù)學(xué)校 北京 102308

2.山西太原中冶天工鋼構(gòu)容器分公司 山西太原 030008

1 序言

某電廠項(xiàng)目部在主蒸汽管道取樣管施工中，需要焊接φ18mm×4mm的SA213-T91小徑管，由于管徑小無(wú)法進(jìn)行焊后熱處理，故經(jīng)過(guò)研究，決定采用ERNiCr-3鎳基焊絲和ER90S-B9焊絲進(jìn)行焊后力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn)。

2 焊接性分析

SA213-T91鋼為馬氏體組織，是在9Cr1MoV鋼的基礎(chǔ)上降低碳含量，嚴(yán)格限制硫、磷含量，添加少量的釩、鈮元素。其具有較好的持久性和較高的強(qiáng)度，但冷裂紋敏感性比較強(qiáng)，有一定的熱裂傾向，使焊接性變差。因合金含量較多，鋼液黏稠，容易出現(xiàn)未熔合、根部氧化等缺陷，所以焊接難度較大[1]。SA213-T91鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1、表2。

3 焊接工藝試驗(yàn)

焊接工藝試驗(yàn)著重于檢驗(yàn)SA213-T91小徑儀表管在不能采用電加熱方法進(jìn)行焊后熱處理的條件下，選用ERNiCr-3鎳基焊絲焊后保溫緩冷和與SA213-T91鋼相匹配的ER90S-B9焊絲焊后火焰加熱并保溫緩冷的方法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，目的是檢測(cè)焊接接頭焊后的力學(xué)性能能否滿足使用要求。

表1 SA213-T91鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 SA213-T91鋼的力學(xué)性能

（1）焊接材料 ERNiCr-3焊絲和ER90S-B9焊絲的化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表3～表6[2]。

表3 ERNiCr-3焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 ERNiCr-3焊絲熔敷金屬力學(xué)性能

（2）焊接工藝試驗(yàn) 試驗(yàn)條件：管材規(guī)格為φ18×4mm和φ60×4mm，焊絲采用ERNiCr-3或ER90S-B9 ，焊接方法采用GTAW，氬氣流量為6～8L/min，焊接層數(shù)為2層，焊接位置為6G，焊口充氬，焊前火焰預(yù)熱至150～200℃，采用鎳基焊絲焊后進(jìn)行保溫緩冷，采用ER90S-B9焊后進(jìn)行火焰熱處理，達(dá)到650～700℃厚保溫緩冷。詳細(xì)方案及焊接參數(shù)見(jiàn)表7。

表5 ER90S-B9焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表6 ER90S-B9焊絲熔敷金屬力學(xué)性能

（3）工藝試驗(yàn)過(guò)程及分析 方案一：進(jìn)行4次試驗(yàn)，1-1、1-2試驗(yàn)用管材采用客戶提供的SA213-T91鋼，尺寸為φ18×4mm，焊后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)合格，面彎、背彎結(jié)果不合格，經(jīng)過(guò)與項(xiàng)目工作人員溝通，對(duì)管子母材進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)首批管子母材不合格，客戶對(duì)管子進(jìn)行了更換。

客戶對(duì)不合格儀表管進(jìn)行更換后，我們對(duì)新到的SA213-T91鋼管子在焊前進(jìn)行了相關(guān)檢測(cè)，確認(rèn)管子合格后，為保證熔合良好，防止產(chǎn)生焊瘤、內(nèi)凹等缺陷可能對(duì)力學(xué)性能的影響，決定采用φ1.6mm焊絲進(jìn)行工藝1-3、1-4次試驗(yàn)。工藝試驗(yàn)時(shí)采用與1-1、1-2相同的施焊人員，焊絲φ1.6mm，焊接電流、電弧電壓比1-1、1-2稍小。工藝評(píng)定結(jié)果仍然是背彎不合格，不合格背彎試樣如圖1所示，拉伸試驗(yàn)合格，面彎合格，背彎不合格。

方案二：由于方案一的4次評(píng)定結(jié)果均不合格，因此分析是否因?yàn)楣茏又睆叫?，背彎時(shí)內(nèi)壁不平直，導(dǎo)致背彎不合格，隨后決定進(jìn)行方案二，即采用φ60mm×4mm的管子進(jìn)行一次試驗(yàn)。采用的焊接參數(shù)和方案1-1、1-2相同，結(jié)果：拉伸試驗(yàn)合格，面彎合格，背彎?rùn)z驗(yàn)仍然不合格（注：有的背彎甚至剛彎到90°就產(chǎn)生裂紋）。詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)表8。

圖1 1-4方案工藝背彎試驗(yàn)

從圖1和方案二分析，所有不合格試樣背彎斷裂均在熔合線上，原因分析如下：

1）焊縫熔敷金屬為鎳基合金，其延展性好，因此焊縫根部和表面在彎曲時(shí)無(wú)缺陷。

2）SA213-T91鋼母材本身為鍛造組織，母材生產(chǎn)時(shí)工藝到位，性能合格，因此母材處彎曲時(shí)無(wú)缺陷。

3）熔合線為焊縫最薄弱部位，由于未進(jìn)行焊后熱處理，因此熔合線上應(yīng)力較大，組織晶粒粗大，造成彎曲時(shí)背彎不合格，與管子直徑無(wú)關(guān)，與焊絲的直徑也無(wú)關(guān)。

方案三：分析清楚原因之后，通過(guò)改變焊后熱處理工藝，又進(jìn)行了方案三的試驗(yàn)。

表7 焊接參數(shù)

表8 各方案試驗(yàn)結(jié)果

方案三選用與母材相匹配的ER90S-B9焊絲，焊后用火焰加熱至650～700℃保溫，然后緩冷至室溫。拉伸和彎曲檢測(cè)結(jié)果均合格，硬度略高。母材和焊縫硬度見(jiàn)表9。

表9 母材和焊縫硬度 （HBW）

由表9數(shù)據(jù)分析可知：母材硬度在合格范圍內(nèi)，焊縫硬度高。焊后雖然進(jìn)行了火焰熱處理，但恒溫時(shí)間和加熱溫度不夠，造成焊后組織轉(zhuǎn)變不充分，因此硬度偏高。

通過(guò)修改焊后火焰熱處理工藝措施，減小了焊縫的應(yīng)力集中，緩解了熔合線上的應(yīng)力狀況，因此背彎合格。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）通過(guò)本次對(duì)小徑管SA213-T91焊接工藝試驗(yàn)，我們總結(jié)出鎳基焊絲并不是全能焊絲，要使焊縫達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)性能要求，必須選擇合適的焊接材料、采用正確的焊接工藝。

2）鎳基焊絲只能應(yīng)急而不能作為永久的焊接材料使用。

3）嚴(yán)格制定焊后熱處理工藝措施，也是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。

4）焊前一定要及時(shí)對(duì)母材、焊材進(jìn)行化學(xué)成分、硬度等檢測(cè)，防止不合格產(chǎn)品影響工程質(zhì)量。

5）SA213-T91鋼小徑儀表管焊后在不能進(jìn)行電加熱的情況下，采用火焰加熱也是焊后熱處理的加熱方法之一。