P92焊接工藝評定介紹

A335P92鋼焊接工藝優(yōu)化試驗

研究課題進展情況介紹國電電力建設(shè)研究所二五年十一月二十七日.本課題目標的提出.焊接材料的選擇.焊接工藝試驗實施.焊接接頭性能試驗數(shù)據(jù).推薦的焊接工藝.結(jié)束語內(nèi)容摘要：本文對在各電建公司進行的P92鋼焊接工藝評定進行了詳細的描述，包括焊接過程參數(shù)和焊接熱處理過程都進行了詳細的記錄，涉及到對焊接線能量即焊接電流、電壓、焊接速度的控制以及如何實現(xiàn)，對預熱溫度和層間溫度的控制以及加熱器的包扎，通過多種試驗優(yōu)化方案得到的較為理想的工藝。試驗的過程中，依據(jù)標準DL/T868-2004對焊接接頭分別進行取樣分析，包括拉伸、沖擊、彎曲、硬度和金相等，用以對焊接工藝評定成功與否進行了驗證。.本課題目標的提出隨著P92鋼材在電力建設(shè)超超臨界機組中的投入而且有被廣泛使用的趨勢，電力建設(shè)工程界迫切需要一套相對比較合理成熟的P92鋼焊接工藝。國電電力建設(shè)研究所會同山東電力建設(shè)第二工程公司、河北電力建設(shè)第一工程公司、河北電力建設(shè)第二工程公司、河南第一火電建設(shè)公司、江蘇電力建設(shè)第一工程公司、湖南火電建設(shè)公司等六家電力建設(shè)公司共同組建了P92鋼焊接工藝優(yōu)化試驗研究課題組。課題的主要目的是通過有限的試驗尋找滿足DL/T868《焊接工藝評定規(guī)程》的比較合理的焊接工藝。為此，要解決如下問題：(1)確定合適的焊接材料；(2)確定合理力學性能尤其是室溫沖擊韌性指標；(3)解決焊縫和熱影響區(qū)軟化問題；(4)提出合適的現(xiàn)場焊接工藝參數(shù)。課題組于2004年11月22日至24日在南京召開了會議。會議根據(jù)進口焊接材料的熔敷金屬試驗結(jié)果，確定了采用進口焊接材料的原則。依據(jù)焊接工藝評定標準，確定了室溫下P92鋼焊接接頭基本性能要求(見表1),同時制定了P92鋼焊接工藝優(yōu)化試驗研究任務(wù)書。表1P92焊接接頭基本性能表抗拉強度MPa屈服強度(0.2%)MPa斷后仰長率5d,%180°冷彎裂紋長度mm焊縫沖擊功J硬度HB>620>440>15>3>41<300其它要求1、試件焊縫根部應(yīng)焊透，不得有未熔合。表面及內(nèi)部質(zhì)量應(yīng)符合相關(guān)標準要求。2、微觀金相檢驗：焊縫金屬和熱影響區(qū)/、出現(xiàn)嚴重的組織偏析、淬硬的馬氏體、網(wǎng)狀組織等試驗的試樣要求和合格標準：1）全截面金相觀察試樣：試樣包括焊縫、熱影響區(qū)、母材，從宏觀和微觀方面分別檢查各區(qū)的組織，硬度分布，檢驗方法執(zhí)行標準GB/T884-2004,合格標準執(zhí)行DL/T868結(jié)合ASMEQW-183。2）軸向焊接接頭室溫拉伸試樣：全厚度拉伸試樣，每組兩件，焊接試樣取樣尺寸執(zhí)行標準GB2651-89《焊接接頭拉伸試驗方法》。合格標準執(zhí)行DL/T868結(jié)合ASMEQW-153.1。3）焊縫及熱影響區(qū)金屬室溫沖擊取樣：焊縫金屬分底層和近表層加工，熱影響區(qū)從近表層加工，每組三根。缺口開在垂直于管子外壁，試驗方法執(zhí)行標準GB2650《焊接接頭沖擊試驗方法》。按照ASME規(guī)范規(guī)定，T/P92鋼的焊接接頭要求達到Akv（一般用鋼或者是橫向）＞30ft-lbf（J=1.355818ft?lbf,41J）（核電用鋼或者是縱向）＞50ftlb（68J）。因此，在工藝評定任務(wù)書力學性能要求中規(guī)定了焊接接頭的沖擊功達到41J。對于P92這類細晶強韌化耐熱鋼材，實施過程中焊接接頭的脆化傾向比較明顯，因此課題組特別關(guān)注沖擊韌性指標。4）焊接工藝評定側(cè)彎試樣：共4件，執(zhí)行標準GB/T2653,側(cè)彎試樣合格標準為每片試樣的拉伸面上在焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)任何方向上都不得有長度超過3mm的開裂缺陷。彎曲試樣檢測焊接接頭的塑性，揭示焊接接頭內(nèi)部缺陷，檢測焊縫致密性，考核不同區(qū)域協(xié)調(diào)變形的能力。各種試樣取樣位置如圖1所示。圖1焊接接頭取樣示意圖.焊接材料的選擇在南京會議之前已經(jīng)完成了三種焊接材料的熔敷金屬試驗。會議之后,根據(jù)課題組建議，電建所1月份又安排了對ThyssenMTS616熔敷金屬的試驗。所有的焊接材料試樣參考標準GB5118并接合ASMESFA5.5統(tǒng)一試板、統(tǒng)一焊接、熱處理規(guī)范、統(tǒng)一加工方法的原則制作，規(guī)范參數(shù)如表2所示,

表2試板焊接規(guī)范參數(shù)焊接材料預熱溫度(C)層問溫度(C)焊接規(guī)范牌號規(guī)格焊接電流(A)焊接電壓(U)焊接速度(cm/min)MTS616①3.2200200~30012024?26?18焊后熱處理焊條烘干溫度？時間(C?h)熱處理起始溫度(C)熱處理溫度(C)恒溫時間(h)升溫速度(C/h)降溫速度(C/h)80~907602300300(300?350)?1.5試驗項目包括金相組織見圖2、化學成分分析、力學性能、擴散氫含量測試、相變點分析和施焊工藝性能等，9月份又補充了Chromet92的熔敷金屬化學成分分析。電建所只做金相試驗，其他試驗外委。試驗結(jié)果如下：圖2熔敷金屬金相組織(400X)表3熔敷金屬化學成分(wt%)材料化學成分CMnPSSiNiCrMo

A335P920.07~0.130.3~0.6必02<0.01<0.5<0.48.5~9.500.3~0.6Alcromocord920.111.050.00820.0080.190.448.600.50BoehlerFoxP920.0980.620.0120.0050.200.538.030.48Chromet92川0.0850.580.00740.010.220.447.960.370.0910.640.0090.00530.240.549.130.48MTS6160.100.600.00820.0090.200.608.490.48材料VNbWBNCuAlCoA335P920.15~0.250.04~0.091.5~2.00.001~0.0060.03~0.07/磷.04/Alcromocord920.220.0611.850.00280.0370.017<0.0050.0099BoehlerFoxP920.180.0361.41<0.00050.0480.037<0.0050.014Chromet92[注]0.180.0371.410.00160.0510.022<0.005<0.0050.200.0571.670.00220.046///MTS6160.170.0281.460.00310.0480.038//注：CHROMET92熔敷金屬試驗批號不同，分別為WO21333、WO21804表4熔敷金屬室溫力學性能試驗焊條抗拉強度MPa非比例延伸強度MPa延伸率(5d)%斷面收縮率%沖擊功(20C)J硬度HBA335P9262044020(4d)//250901x-G62053017(4d)///Alcromocord9283571016.559.042(39,43,43)21278063517.561.076561019.058.5BoehlerFoxP9285076012.057.019(21,16,19)22389579014.058.588078013.559.5

Chromet9286076013.048.0103(107,105,96)19872058017.059.576063514.056.0MTS61672558518.065.0100(100,102,97)/75561021.056.066043521.563.5表5熔敷金屬600c短時高溫力學性能焊條抗拉強度MPa0.2%屈服強度MPa延伸率(5d)%斷面收縮率%P92鋼375300//Alcromocord92405270187646041027754654251571Fox92525480217038036021704304052478Chromet92530510206748545019683753452578MTS616430395207540537027803853602680表6熔敷金屬擴散氫含量焊條Alcromocord92Fox92Chromet92MTS616[H]2.52、3.492.37、1.512.68、3.250.86、1.39(mL/100g)3.82、2.661.84、2.322.11、2.871.64、1.77表7熔敷金屬相變點溫度相變點P92鋼Alcromocord92Fox92Chromet92MTS616Aci(C)>800784800800786Ac3(C)>900885868883885在對各熔敷金屬的試驗數(shù)據(jù)進行分析和聽取了課題組成員單位的意見后，選定Chromet92作為這次工藝評定焊接材料。補充試驗：在進行MTS616熔敷金屬力學性能試驗時，附加了兩個后熱處理工藝試驗，焊接工藝與不后熱處理的試板工藝相同。試板編號：N04#:焊后冷卻至80-90C,保溫1小時，進行熱處理。No4-1#:焊態(tài)直接完成后熱處理，后熱溫度300C,恒溫2小時，然后冷卻至室溫，擱置24小時，進行熱處理。No4-2#:焊后冷卻至80-90C,保溫1小時，再升溫至300c進行后熱處理，恒溫2小時，然后冷卻至室溫，擱置24小時，進行熱處理。對No4-1#,No4-2#取樣進行20c的室溫沖擊和拉伸、金相試驗，試驗結(jié)果如表8所示。三種工藝取得的試樣的熔敷金屬顯微組織均為回火索氏體，差別不大。表8熔敷金屬（MTS616）不同焊接熱處理力學性能試驗試樣編號RmMPaRp0.2MPaA%Z%AkvJNo472558518.065.0100(100,102,97)75561021.056.0No4-1#81569517.059.027(16,30,35)82571015.063.5No4-2#84072017.060.066(66,72,60)83071017.560.5.焊接工藝試驗實施P92母材和焊接材料試驗采用的P92鋼管的規(guī)格：4）355M2mm，鋼管以正火和回火狀態(tài)供貨，其規(guī)范為：正火1040c/4h、空冷，回火760C/11h、空冷。P92鋼屬于低碳（0.07?0.13%）高合金（合金總含量＞10%）鐵素體系耐熱鋼，沿厚度方向切取金相磨片，并用鹽酸苦味酸酒精溶液腐蝕，所得到的顯微組織如圖3所示，其原始組織為回火馬氏體，析出的碳化物M23C6（M為Fe、Cr或Mo）和MX（M為V或Nb,X為C或N）型V/Nb氮化物均勻的分布在板條馬氏體晶界和晶內(nèi)，晶粒大小不均勻。圖3P92供貨狀態(tài)P92鋼的組織（200X）焊接材料的化學成分直接影響焊接接頭的性能，試驗確定焊接材料采用英國曼徹特焊接材料公司提供的規(guī)格d2.4mm的GTAW焊絲：9CrWV;規(guī)格（J）2.5mm巾3.2mm的SMAW焊條：CHROMET92,標準編號：E9015-G。P92鋼管和熔敷金屬化學成分詳見表9,力學性能見表10。坡口設(shè)計：雙V型，尺寸見圖4,具體的尺寸根據(jù)機加工條件來確定。焊接位置：6G

圖4焊接坡口尺寸設(shè)計

表9P92鋼和熔敷金屬化學成分（Wt%）材料CSiMnSPCrNiMoWVNbBAlNP920.10.470.40.0010.00828.770.120.381.480.160.0540.00110.020.0439CrWV0.120.290.710.0080.0099.080.490.421.720.190.060.003<0.010.06Chromet92（m.5）0.10.20.640.010.0090.060.610.481.670.190.0520.0020.010.063Chromet92（（p.2）0.0910.240.640.0090.00539.130.540.481.670.200.0570.0022/0.046表10P92鋼和熔敷金屬機械性能材料室溫拉伸沖擊功J抗拉強度MPa非比例延伸強度MPa延伸率%斷面收縮率%P9265147031.271118、135、134熔敷金屬86076013.048.0107、105、9672058017.059.576063514.056.0P92鋼焊接參數(shù)的選取試驗由持有焊接操作資格證，且具有豐富施焊經(jīng)驗的焊工擔任。焊接設(shè)備選用較多的是ZX7-400STG。焊接參數(shù)的選取根據(jù)南京會議上課題組協(xié)商并制定的P92鋼焊接參數(shù)和熱處理參數(shù),并結(jié)合現(xiàn)場實際(如熱處理)和生產(chǎn)效率等各方面因素，在5月8日和6月分別安排了兩組P92鋼焊接工藝試樣的焊制，課題組對焊接過程和熱處理過程都進行了詳實的記錄。試驗結(jié)果不甚理想，主要是彎曲試驗和沖擊試驗結(jié)果達不到要求。課題組注意到一些現(xiàn)象，金相組織的沿奧氏體晶界和晶內(nèi)存在析出物。經(jīng)過分析，認為層間溫度過高，對焊接參數(shù)進行了一些改進。但在8月份又進行一輪焊接工藝試驗，沖擊值還是達不到任務(wù)書的要求，在對沖擊試樣進行了SEM分析，斷口為準解理斷裂，因此排除了之前提出的由于晶界析出物導致的沿晶脆斷。焊接工藝參數(shù)有待進一步的完善。在做了一些爐內(nèi)熱處理試驗，并對焊接接頭進行了斷口分析，總結(jié)之后，確定了以下的焊接工藝參數(shù)：(1)雖然P92鋼的淬透性很強，但是含碳較低，其冷裂紋敏感性并不大，資料推薦P92鋼只需預熱到100c即可。但據(jù)上海鍋爐廠的SA355P92冷裂紋插銷試驗和斜Y型坡口焊接裂紋試驗的結(jié)果表明，預熱溫度需要提高到150C,才能有效的防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生。因此在合理選材的前提下，焊接時建議在150c預熱，層間溫度不大于250Co(2)由于焊縫金屬對第一次回火的溫度敏感，因此工藝設(shè)計每層焊層不能厚，控制焊道厚度不超過3mm,建議焊層為n18層；焊條可作橫向擺動，寬度不超過4倍的焊條直徑。(3)焊接時盡量采用小線能量(?12kJ/cm)的焊接工藝方法，按每根焊條熔化時間為定值：60S,計算下來每根焊條可焊的焊道長度約為140mm?190mm,在焊接過程中的具體操作方法為每條焊道長度不短于按照最大的線能量焊出的焊道長度。這樣才能保證每條焊道的線能量都不超過焊接工藝指導書的設(shè)定值。(4)焊接后熱處理操彳務(wù)必依照標準DL/T819的要求執(zhí)行(5)建議焊后熱處理溫度770C,熱處理時間從均溫開始保溫5小時,加熱電源的功率和加熱器尺寸應(yīng)該能夠保證焊縫的均溫。具體焊接實施參數(shù)1)焊接工藝參數(shù)GTAW預熱溫度150C,各試驗的焊接規(guī)范參數(shù)如表11所示，表中所列的預熱溫度為SMAW的預熱溫度。表中的t8/5(800C?500C)的冷卻時間是根據(jù)理論公式計算的結(jié)果。表11焊接規(guī)范參數(shù)試驗編與預熱C層問溫度C電流A電壓V焊接速度mm/min焊層/道數(shù)t8/5s1#200200-300120?12623-26110~18015/5111.72#200200-300125~14022-24120~16014/3213.73#150150-250120~12723-26120~16018/3410.84#200180-250120~12622-24160~20019/469.125#150170-250123~12523-25170~21020/567.36#200200-250122~12524-28160~19019/499.142)加熱器的尺寸和分布各焊口熱處理過程中熱電偶的分布示意如圖5,加熱器的布置以及均溫的程度如表12所示。其中2#試驗焊接后直接后熱，參數(shù)為300c/2小時,各焊口熱處理規(guī)范參數(shù)如表13所示。

圖5熱電偶分布示意圖表12焊接熱處理階段加熱器布置和均溫程度試驗編與柔性陶瓷電阻加熱器單片加熱器寬度mm數(shù)量(片/組)功率kW控溫點溫度max/min1#履帶式20022012、6點767/6952#履帶式1502303、9點764/701736（12點）3#履帶式15023012、6點770/7164#履帶式2003303點770/7605#純狀2103423點770/6846#履帶式40024012、6點770/760試驗過程中5#焊口在熱處理過程中存在的問題：電腦顯示和記錄儀示數(shù)溫差10c?20C,按照記錄儀上的示溫，外3點和外12點的溫度最高，熱處理溫度為750cx2h+760cx2h,而記錄儀顯示外6點的最高溫度為700C(保溫不好)。表13各焊口熱處理規(guī)范參數(shù)試驗編與熱處理起始溫度(C)熱處理溫度(C)恒溫時間(h)升溫速度(C/h)降溫速度(C/h)

1#-10076041501502#80?10076071501503#80~100768±361501504#80~100750/7705/3300/1001505#80~1007704300/1001506#80~1007705300/1301503）焊接和熱處理結(jié)束后，對各焊口分別進行了布氏硬度測試，試驗數(shù)據(jù)見表14,試驗過程中，2#試驗為打3點取平均值，其余為打5點取平均值。表14各焊接接頭熱處理前后的布氏硬度值（HB）試駁編p熱處理前硬度熱處理后硬度熱影響區(qū)焊縫加熱區(qū)或熱影響區(qū)焊縫2#平焊337377186244仰焊3473801872593#平焊201386204269立焊200418210259仰焊2154262132734#平焊161366156230立焊159404155210仰焊1603811472005#平焊176364197260立焊177368191274仰焊182377185281母材180184194195加熱區(qū):指離焊縫邊緣20mm4）在按照焊接工藝指導書完成焊接工藝評定后，對各焊口進行了全焊縫超聲波探傷和射線檢驗，各施焊單位檢驗底片和報告，檢驗結(jié)果符合DL/T821等相關(guān)標準I、II級要求，質(zhì)量合格。.焊接接頭性能試驗數(shù)據(jù).1焊接接頭的宏觀分析圖6焊接接頭宏觀侵蝕照片（1X）圖6為依次為1#-6#焊接工藝焊接截面的宏觀侵蝕照片，對焊接接頭的金相試樣進行宏觀分析，經(jīng)過侵蝕劑侵蝕的焊接接頭焊縫金屬與熱影響區(qū)呈現(xiàn)清晰界限，觀察發(fā)現(xiàn)這幾個試樣焊縫金屬與母材均熔合良好，焊縫金屬和熱影響區(qū)無裂紋。符合標準要求。.2焊接接頭金相組織在各焊口上按照圖1示意圖取全厚度金相試樣進行了金相檢驗，檢驗結(jié)果見表15,金相組織見圖7。試樣經(jīng)磨光，拋光處理后，用鹽酸苦味酸酒精溶液侵蝕。從金相照片觀察，各試樣的熱影響區(qū)面積很小，不完全正火區(qū)基本不明顯。表15焊接接頭金相組織試樣編號取樣位置特征組織對應(yīng)圖號

1#(200X2#(200為3#(400R4#-1(400X)4#-2(400乃1#(200X2#(200為3#(400R4#-1(400X)4#-2(400乃1#-J焊縫回火馬氏體+晶界和晶內(nèi)均勻析出的碳化物。由于回火不充分造成的試樣柱狀晶內(nèi)存在明顯的馬氏體板條位向。7-1#2#-J焊縫回火馬氏體+少量鐵素體+晶界和晶內(nèi)均勻析出的碳化物7-2#3#-J焊縫回火馬氏體+少量鐵素體+晶界和晶內(nèi)均勻析出的碳化物7-3#4#-J焊縫回火馬氏體+少量鐵素體+晶界和晶內(nèi)均勻析出的碳化物7-4#-1熔合線左部為焊縫，右部為粗晶區(qū)7-4#-2細品區(qū)晶粒細小均勻，組織為回火馬氏體7-4#-3母材母材為回火馬氏體7-4#-45#-J焊縫回火馬氏體+晶界和晶內(nèi)均勻析出的碳化物，試驗采用較小的焊接線能量，對焊接接頭的金相試樣進行宏觀分析，基本/、存在明顯柱狀晶7-5#6#-J焊縫回火馬氏體7-6#-1熔合線左下為焊縫，右上為粗晶區(qū)，熔合線上存在白塊組織7-6#-2

4#-3(400為6#-16#-24#-3(400為6#-16#-2圖7焊接接頭金相組織3焊接接頭布氏硬度和顯微硬度1）布氏硬度（HB）根據(jù)DL/T869-2004合格標準規(guī)定：熱處理后焊縫的硬度數(shù)值，一般不超過母材的布氏硬度值加100HB和南京會議任務(wù)書中規(guī)定的HBW300HB,如表14所示的焊接接頭布氏硬度（HB）值，包括熱影響區(qū)、焊縫的測量結(jié)果表明，所有焊口的測試結(jié)果均符合要求。2）維氏顯微硬度測定試驗顯微硬度的載荷為200gf,保載時間10s。進行硬度值測試的位置為靠近上表面的一條線上，顯微硬度試驗結(jié)果如表16所示，試驗結(jié)果表明，在本工藝條件下，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的如理論中所述的細晶區(qū)軟化的現(xiàn)象。同時，各試樣的焊縫組織中均存在白塊狀的似鐵素體組織，對該組織進行

的顯微硬度試驗表明該組織的硬度比一般意義的鐵素體為高，但是明顯低于馬氏體組織，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的淬硬相存在。所以認為該組織不會對試樣的脆斷有明顯的影響。表16維氏顯微硬度測試結(jié)果試樣編號焊縫粗晶細品母材1#319.9317.4329.5267.34#白塊組織：281.5、299.3回火馬氏體：311.6、310.7307.1315.2234.74.3焊接接頭沖擊功焊接接頭的沖擊功見表17。取其中的3組沖擊試樣作斷口分析，1000X下的斷口SEM照