SA-335 P91鋼全位置窄間隙熱絲TIG焊接工藝及接頭性能研究

(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司 高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150046)

0 引言

由于SA-335 P91鋼具有優(yōu)良的高溫蠕變性能和抗高溫腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電機(jī)組的集箱和管道中，表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能[1-4]。經(jīng)過不斷的研究與探索，目前人們已對SA-335 P91鋼焊接性、焊接工藝以及焊接接頭的性能有了比較全面和深入的認(rèn)識(shí)。然而，關(guān)于SA-335 P91鋼窄間隙全位置焊接的研究卻十分罕見。在電站鍋爐制造或鍋爐部件現(xiàn)場安裝過程中，不可避免地存在一些需要進(jìn)行全位置焊接的環(huán)縫，目前此類焊縫大多采用焊條電弧焊的方法進(jìn)行焊接[5-8]。因此，針對這種需全位置焊接的SA-335 P91鋼厚壁大口徑管，采用全位置窄間隙熱絲TIG焊接技術(shù)進(jìn)行焊接工藝技術(shù)開發(fā)及接頭性能研究具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的SA-335 P91鋼大口徑管直徑356 mm，壁厚55 mm，其化學(xué)成分與力學(xué)性能均滿足ASME第Ⅱ卷A篇SA-335 P91的要求。焊接材料為ER90S-B9焊絲(符合ASME第Ⅱ卷C篇SFA-5.28要求)，焊絲直徑?1.2 mm，其具體化學(xué)成分見表1。焊接保護(hù)氣體為純氬。

表1 試驗(yàn)用ER90S-B9焊絲化學(xué)成分 %

1.2 方法與設(shè)備

采用全位置窄間隙熱絲TIG焊接方法，將SA-335 P91鋼大口徑管進(jìn)行水平固定裝配，焊接過程中工件不轉(zhuǎn)動(dòng)，采用專用全位置窄間隙熱絲TIG焊機(jī)，利用焊接機(jī)頭沿固定軌道進(jìn)行±360°的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整條環(huán)縫的多層單道全位置窄間隙焊接(見圖1(a))。圖1(b)為試驗(yàn)焊接接頭所采用的窄間隙焊接坡口形式，為保證根部焊縫質(zhì)量，裝配時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制錯(cuò)邊量和裝配間隙均不超過0.5 mm。

焊接過程時(shí)，每層只焊接1道，通過鎢極的搖動(dòng)保證坡口側(cè)壁熔合。采用脈沖焊接技術(shù)，控制焊接熱輸入在較低的范圍內(nèi)。前兩層焊接時(shí)，需在大口徑管內(nèi)部進(jìn)行充氬氣保護(hù)，防止焊接接頭背面的焊縫金屬氧化。另外，首層焊接時(shí)需實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形；面層焊接時(shí)需增加焊槍擺動(dòng)功能，保證最終焊縫成形滿足要求。通過分區(qū)段工藝參數(shù)設(shè)定與修正，克服重力對焊接過程的不利影響，保證在整個(gè)圓周方向不同位置焊接時(shí)，均能獲得理想的熔池狀態(tài)和焊縫成形。具體焊接工藝參數(shù)見表2。

由于重力的作用，全位置焊接時(shí)，在SA-335 P91鋼管圓周方向不同位置，焊接熔池的受力狀態(tài)是不斷變化的[9-10]。為了保證每一個(gè)位置均可獲得優(yōu)良的焊縫，將全位置環(huán)縫等分為16個(gè)區(qū)域，圖2中僅示出順時(shí)針方向，逆時(shí)針方向與其原理相同。根據(jù)不同位置的熔池受力狀態(tài)和工藝焊接性，對焊接工藝參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)修正，表3列出焊接時(shí)不同位置峰值電流、電弧電壓和送絲速度的修正值。

(a)工件裝配及焊接機(jī)頭安裝示意

(b)焊接坡口形式

表2 焊接工藝參數(shù)

圖2 焊接分區(qū)示意

采用焊條電弧焊、埋弧焊等方法焊接SA-335 P91鋼時(shí)，一般焊前預(yù)熱溫度需>200 ℃，而熱絲TIG焊為低氫焊接方法，可適當(dāng)降低焊前預(yù)熱溫度，試驗(yàn)中采用的最小預(yù)熱溫度為120 ℃，且焊后未進(jìn)行后熱直接將工件緩慢冷卻至室溫。為保證焊接接頭獲得最佳的綜合性能，滿足產(chǎn)品使用要求，焊后采用箱式電阻爐對焊件進(jìn)行整體消應(yīng)力熱處理，熱處理工藝曲線見圖3。

在焊接完成24 h后和消應(yīng)力熱處理后，分別對焊接接頭進(jìn)行磁粉檢測(MT)、超聲波檢測(UT)和射線檢測(RT)，均未發(fā)現(xiàn)缺陷顯示。

表3 焊接工藝參數(shù)修正值

圖3 焊后消應(yīng)力熱處理工藝曲線

熱處理后，按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》將焊件取樣進(jìn)行破壞性試驗(yàn)。采用WAW-1000D微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行拉伸和彎曲試驗(yàn)；采用NI300儀器化沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)，分別在距焊縫表面1 mm和15 mm位置各取一組焊縫和HAZ沖擊試樣；采用Axiovert 200 MAT蔡司金相顯微鏡對焊接接頭進(jìn)行微觀組織分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 組織結(jié)構(gòu)分析

圖4為SA-335 P91鋼全位置窄間隙熱絲TIG焊接接頭的斷面照片，該接頭共焊接34層，每層焊縫厚度約為1.6 mm，HAZ寬度為1.0～1.5 mm?？梢钥闯?，每層一道均勻分布的窄間隙焊縫輪廓，焊縫與兩側(cè)母材均熔合良好。焊接過程中鎢極左右搖動(dòng)，使焊接電弧可在坡口內(nèi)移動(dòng)并在兩側(cè)適當(dāng)停頓，有效保證了坡口兩側(cè)的熔合。焊接完成后坡口最外側(cè)間隙減少了2.8 mm，這是由于在鎢極搖動(dòng)過程中，電弧直接作用于坡口側(cè)壁而導(dǎo)致坡口收縮量的增加。

圖4 焊接接頭斷面宏觀形貌

圖5示出SA-335 P91鋼全位置窄間隙熱絲TIG焊接接頭的顯微組織。SA-335 P91鋼母材、HAZ和焊縫的金相組織均為回火馬氏體組織。各區(qū)組織均勻連續(xù)，馬氏體形態(tài)細(xì)小，未發(fā)現(xiàn)明顯的過熱粗大組織。這與窄間隙熱絲TIG焊接熱輸入小、熔池體積小、焊道金屬厚度小、冷卻速度快有利于獲得細(xì)小的晶粒和組織有關(guān)。這種均勻細(xì)小的組織決定了焊接接頭具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

(a)母材

(c)HAZ

2.2 力學(xué)性能分析

焊接接頭的2個(gè)拉伸試驗(yàn)的抗拉強(qiáng)度分別為672 MPa和685 MPa，均高于SA-335 P91鋼標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限585 MPa，且拉伸試樣的斷裂均發(fā)生在母材部分，說明焊接接頭的強(qiáng)度滿足要求。彎曲試驗(yàn)的4個(gè)側(cè)彎試樣，在經(jīng)歷180°彎曲后，其受拉面上的焊縫、HAZ，以及試樣棱角上任何方向均未產(chǎn)生開裂。

表4列出焊接接頭的室溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果，各個(gè)位置焊縫和HAZ的沖擊吸收能量均高于NB/T 47014—2011標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值34 J，焊接接頭表現(xiàn)出優(yōu)良的沖擊韌性。在全位置窄間隙焊接時(shí)，每層只焊1道，在相對較短的時(shí)間內(nèi)，后焊層對先焊層便有一次熱作用，這種熱作用起到了焊后消氫和改善組織的作用，雖然焊前適當(dāng)降低了預(yù)熱溫度，焊接接頭同樣獲得了優(yōu)良的沖擊性能[11]。另外，焊后消應(yīng)力熱處理時(shí)，足夠的保溫時(shí)間也有利于SA-335 P91鋼焊接接頭獲得優(yōu)良的沖擊性能[12]。

表4 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

焊接接頭硬度檢測結(jié)果表明,母材、HAZ和焊縫區(qū)的硬度均在合理范圍內(nèi)，母材區(qū)的硬度相對較低，焊縫區(qū)的硬度相對較高，但各區(qū)域之間硬度差異并不大，測得接頭范圍內(nèi)的最大硬度差為43(HV10)，焊接接頭各區(qū)域性能呈現(xiàn)出較好一致性(見表5)。

表5 硬度檢測結(jié)果(HV10)

3 結(jié)論

(1)全位置窄間隙熱絲TIG工藝可用于SA-335 P91鋼大口徑管的環(huán)縫焊接，實(shí)現(xiàn)非平焊位置環(huán)縫的機(jī)械化焊接，獲得無缺陷的焊接接頭；

(2)采用全位置窄間隙熱絲TIG工藝焊接SA-335 P91鋼大口環(huán)縫，焊接接頭的回火馬氏體組織均勻細(xì)小，綜合力學(xué)性能優(yōu)良；

(3)采用全位置窄間隙熱絲TIG工藝焊接SA-335 P91鋼大口徑管，分區(qū)域進(jìn)行參數(shù)修正設(shè)置，可保證焊縫質(zhì)量和性能。