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T91和12Cr1MoV 异种钢小径管TIG焊接工艺及操作技术
公布时间: -3-16  阅读次数: 253 次  公布人: 中华焊工

窦怀武1 ，费永敏2
（1．国电靖远发电，白银  730919；2。大唐甘肃分企业焊培中心，兰州 730060）

   摘要：本文针对T91/12Cr1MoV钢管性能，为满足电站检修焊接需要，依据T91/12Cr1MoV异种钢小口径TIG焊口在电站检修更换中焊接位置困难、空间狭小、难度大，易出现缺点等实际情况，研究分析了T91/12Cr1MoV异种钢小径管焊接工艺标准，确定采取高强配比焊接材料进行焊接。经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具体叙述，形成了一套严格及具体焊接工艺及及操作技术规范，对现场实际工作有着较高指导作用。
关键词：异种钢；小径管；焊接工艺； 操作技术；TIG。

作者介绍：窦怀武，男，1971年7月出生，甘肃兰州人，大学学历，国电靖远发电生产技术部金属监督工
程师，技师，长久从事电站金属监督及焊接管理等工作。

1.序言

伴随在电力工业飞速发展，高参数、大容量、环境保护节能机组不停涌现。肯定包含到所用钢材等级提升、品种增多、焊接结构日趋复杂等很多不利原因，对金属材料焊接可靠性及焊接修复工作提出了更高要求，大型电站检修焊接不仅要求焊接工作适应不停改变钢材规格、品种及结构需要，同时要求有足够焊接可靠性和伴随产生结构可修复性。现在伴随异种结构广泛应用，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前提下，立即了解和掌握新材料、新工艺，设备更新，更关键应是对多个异种结构焊接工艺深入研究利用，评定试验制订科学合理焊接工艺，提供有效技术支撑，在人员素质等诸方面调动焊接工作者整体力量，使之立即转化为生产力，是众多电站一线焊接工作者面临首要课题。本文经过对靖远第二发电企业300MW机组#5炉高温段再热器爆管更换减薄管过程中出现T91/12Cr1MoV异种钢焊口易出现缺点，会同大唐甘肃发电焊培中心，经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具体叙述，形成了一套严格及具体焊接工艺及及操作技术规范，确保了换管焊接质量。

2.T91/12Cr1MoV异种钢焊接性分析
2.1 SA213 -T91钢是一个改善9CrlMo钢，它是在9Cr1Mo钢基础上经过添加V、Nb等微量元素形成。含有较低热膨胀系数和良好导热性，抗拉强度和屈服强度较高，尤其是在高温下含有较高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．含有良好冲击性能和高温强度，现在，常见于火电厂锅炉过热器和再热器管等。12CrlMoV钢是一个常见珠光体耐热钢．应用广泛，常见来制造壁温≤580℃ 高压、超高压锅炉过热器管、联箱和主蒸汽管道等，含有很好焊接性能。
2.2 SA213 - T91 属于马氏体耐热钢,12Cr1MoV 属于珠光体耐热钢,化学成份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,造成产生冷裂纹。后者因为含碳及合金元素较多,焊缝及热影响区轻易出现淬硬组织,当焊件刚性及接头应力大时,轻易产生冷裂纹,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和12Crl MoV异种钢焊接要依据马氏体钢和珠光体钢焊接标准进行考虑。
表1。SA213 - T91 和12Cr1MoV 钢化学成份( %)
成份
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合金元素，其熔融金属流动性差，焊接时还产生较多熔渣。
3.3因为马氏体钢导热性差，焊接应力不能得到充足释放，焊后焊缝残余应力很大。
3.4焊前不预热，冷裂纹出现不可避免。为此，为止产生冷裂纹，焊前必需预热（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，但不可超出260℃为易。
3.5焊后不易立即进行高温回火处理，首先可进行消氢处理，降低热应力，预防在冷却程中裂纹产生；其次，进行一定时间恒温后热处理，可使接头高温金属实现由奥氏体向马氏体充足转变，从而避免残余奥氏体组织在回火冷却后转变成新朱回火马氏体。后热处理完成后，应立即进行高温回火处理，750 ℃±10 ℃，保温30 min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回火索氏体组织，并消除焊接残余应力。
3.6焊接接头性能劣化程度随焊接线能量增大而加剧。
3.7焊接接头因为化学成份和金相组织不一样，膨胀系数也不一样，在焊接时会产生较大残余应力。
所以，异种钢焊接时，如焊接工艺选择不妥，焊工操作不妥，很轻易产生焊接冷、热裂纹、
夹渣等缺点．为了得到优质焊接接头，有必需从焊接工艺及参数、焊工操作技术等方面进行严格控制。

4.T91和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材料规格及焊接位置和试件数量：Φ63.5×4.5；水平固定和垂直固定个5件。
4.3焊接材料选择：选择TGS-9Cb,Φ2.0焊丝，焊丝化学成份见表3。
4.3.1选择焊接材料正确是异种钢焊接时关键，接头质量和性能和焊接材料关系十分亲密。选择时应考虑在焊接接头不产生裂纹等缺点前提下，若不可能兼顾焊缝金属强度和塑性，则应选择塑性很好焊接材料；异种钢焊接材料焊缝金属性能只需符合两种母材中一个即认为满足技术要求；焊接材料应含有良好工艺性能．焊缝成形美观；焊接材料应经济、易得。
 4.3.2 珠光体钢和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，假如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。因珠光体钢有很好塑性，C扩散层即使在珠光体钢这一侧，其接头塑性也很好，利于提升接头热强性。
总而言之，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标准。为此，对于T91和12CrlMo异种钢焊接采取高匹配焊接材料应是很好选择。
表3。TGS-9Cb焊丝化学成份（%）
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,这么能够减小熔合比,能够有效降低珠光体母材对焊逢稀释作用。所以采取60°-70°坡口，小钝边，大间隙。
4.4.3坡口形式、焊接次序及充氩方法以下图1、2、3所表示：

图3。充氩方法

4.5焊接工艺参数
因为采取手工钨极氩弧焊，氩弧焊熔合比范固较大．所以．控制好焊接工艺参数对降低熔合比有直接影响。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，所以在焊接时应在确保焊缝组织正常、熔合区硬化程度正常前提下，采取小工艺参数以降低热输入，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.焊接操作技术关键点
5.1焊接过程中内壁充氩，保护焊缝后面，预防氧化。
5.2接头必需在自由状态下组对，不得强行点固焊接,以预防焊缝产生较大拘束应力。
5.3焊接时，预热温度和焊热处理应在确保接头质最前提下进行，采取较小工艺参数比较适宜。
5.4合金元素多，焊接时产生较多熔渣，每次熄弧后，必需打磨熄弧处，以降低杂质聚集．
5.5熔融金属流动性差，且焊接位置为全位置，所以，焊工在焊接时要经过调整焊接参数，利用好操作技术，在焊缝仰位部位，熔滴下挂，操作不妥时，内侧焊缝极易产生内凹．所以焊工操作时，应采取电流上限，利用电弧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，操作不妥时，内侧焊缝易产生内凹，所以焊工操作施焊中应充足利用维弧电流调整焊接熔池形状，利用电弧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。所以焊工操作时，应采取外加丝，加紧施焊速度，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
其它
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，断面未见缺点，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。焊接接头金相检验结果，组织为回火索氏体、板条马氏体，未发觉宏观缺点、微观裂纹及网状组织，说明焊接材料选择和使用，预热温度、层间温度控制和热处理规范是正确但从组织分析，原奥氏体晶粒粗大，马氏体位向比较显著，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选择高匹配TGS-9Cb焊接材料是适宜。
7.2采取适宜焊接工艺(包含充氩保护、预热温度、层间温度控制、焊接工艺参数选择
等)是T91/12Crl MoV异种钢小径管取得优质焊接接头关键．
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马氏体组织和预防焊接裂纹关键步骤。
7.4实际检修焊接中．必需结合具体条件，对每个焊接工艺参数慎重考虑，必需时，优异行工艺试验，然后再正式焊接。
7.5机组实际运行至今工作情况良好，说明该工艺可行，对于焊接这类异种钢小径管有较高现场指导作用。

参考文件：
[1]张金昌．锅炉、压力容器焊接裂纹和质量控制[M]．天津：天津科学技术出版社.1985
[2]周振丰，张文钺. 焊接冶金和金属焊接性【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-
备注：此篇论文被评为二类优异论文并收入到《中国职员焊接技术协会焊接技术论文集》。