不锈钢与马氏体钢异种钢的焊接工艺的探索——TP347与SA213-T91用TIG焊接的工艺试验

不锈钢与马氏体钢异种钢的焊接工艺的
探索——TP347与SA213-T91用 TIG焊
接的工艺试验
摘要：本文通过对TP347与SA213- T91异种钢焊接工艺的试验研究，制定
了合理的焊接工艺参数及工艺过程，对施焊过程进行了详细的论述，对安装、检
修现场实际焊接工作有着较高的指导作用。

作者从事焊接工作30余年，拥有丰
富的焊接制造、施工及培训经验，多次被人社部、省人社厅、省市总工会、省质
监局、团省委、各职业院校聘请担任大赛裁判、教练、考核专家、理论和实操培
训师等。

所承担负责完成的超临界锅炉小径管异种钢焊接工艺、管状对接药（实）芯焊丝CO2气体保护焊焊接工艺填补了云南电力行业焊接技术的空白。

关键词：异种钢焊接工艺; TIG; 熔合比；线能量
前言：目前，云南电力正在朝着大容量、高参数的趋势发展。

焊接工作面
临钢材品种越来多、技术难度大越来越大。

对金属材料的焊接可靠性及焊接修复
工作提出了更高的要求，设备安装、检修的焊接工作不仅要求适应不断变化的钢
材规格、品种及结构的需要，同时要求有足够的焊接可靠性以及伴随产生的结构
可修复性。

焊接难度增加。

这就要求焊接培训工作者除了熟练掌握同种钢材工艺
的前提下，还应及时了解和掌握新材料、新工艺，设备更新，更重要的应是对多
种异种结构的焊接工艺进一步的研究运用，评定实验制定科学合理的焊接工艺，
提供有效的技术支撑。

根据教研活动的工作安排,对TP347与SA213- T91钢的异
种钢小径管焊接进行了工艺试验研究。

1.焊接性分析
1.1 TP347与SA213- T91钢的化学成分及常温机械性能见下表
SA213-T91钢和TP347钢母材的化学成分
组
M
A
TP347与SA213- T91钢母材的常温机械性能
1.2焊接性分析：
SA213- T91钢是一种改进的9CrlMo 钢，它是在9Cr1Mo 钢的基础上通过添加V 、Nb 等微量元素形成的。

具有较低的热膨胀系数和良好的导热性，抗拉强度和屈服强度较高，特别是在高温下具有较高的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．具有良好的冲击性能和高温强度，目前，常用于火电厂锅
炉过热器和再热器管等。

T91 属于马氏体耐热钢,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,导致产生冷裂纹。

由于合金元素较多,焊缝及热影响区容易出现淬硬组织,当焊件
刚性及接头应力大时,容易产生冷裂纹,焊后热处理过程中易于产生再热裂
纹。

TP347钢在850℃~450℃危险温度区域停留时间如长的话，碳和铬易形成
碳化铬Cr23C6，使晶粒边界处的奥氏体出现贫铬现象，导致了晶间腐蚀的发生，
从而降低了焊缝的耐腐蚀性，综上所述SA213- T91为马氏体钢可焊性
差, TP347为奥氏体钢,可焊性良好。

当将其两种钢对焊时,施焊难度较大。

2.焊接时易出现的问题
2.1 T91含有Cr、Mo、V、等强碳化物元素，焊接时焊缝从高温冷却时易产
生淬硬性的马氏体组织，焊缝有很大冷、热裂倾向。

2.2两种母材含有很多的合金元素，其熔融金属的流动性差，焊接时还产生
较多的熔渣。

2.3由于马氏体钢导热性差，焊接应力不能得到充分释放，焊后焊缝的残余
应力很大。

2.4焊前不预热，冷裂纹的出现不可避免。

为此，为止产生冷裂纹，焊前必
须预热（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
可超过260℃为宜。

2.5焊后不易立即进行高温回火处理，一方面可进行消氢处理，减少热应力，防止在冷却程中裂纹的产生；另一方面，进行一定时间的恒温后热处理，可使接
头高温金属实现由奥氏体向马氏体的充分转变，从而避免残余奥氏体组织在回火
冷却后转变成新的回火马氏体。

后热处理完成后，应及时进行高温回火处理，
750 ℃±10 ℃，保温30 min的热处理。

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的回火索氏体组织，并消
除焊接残余应力。

2.6焊接接头性能的劣化程度随焊接线能量的增大而加剧。

且奥氏体焊逢一
侧易产生晶间腐蚀、热裂纹、脆化。

2.7焊接接头由于化学成分和金相组织不同，膨胀系数也不同，在焊接时会
产生较大的残余应力。

2.8在靠近熔合线的珠光体母材上形成铁素体组织脱碳层而软化，在奥氏体
焊逢一侧形成高硬度的增碳层。

因此，这两种异种钢焊接时，如焊接工艺选择不当，焊工操作不当，很容易
产生焊接冷、热裂纹、夹渣、晶间腐蚀、脆化等缺陷．为了得到优质的焊接接头，有必要从焊接工艺及参数、焊工操作技术等方面进行严格控制。

3. TP347与SA213- T91焊接工艺
3.1金属材料的规格：Φ42×5×250
3.2焊接位置与试件数量为：水平固定、垂直固定各4件。

3.3焊接方法：TIG焊接。

3.4焊接材料的选择：根据《火力发电厂焊接技术规程》、《火力发电厂异
种钢焊接技术规程》的要求和以上的特点，现选择INCONEL 82焊丝,焊丝的化学
成分见下表。

焊丝的化学成分（％）
INCONEL 82焊丝的线膨胀系数为14.5×10－6／℃，介于SA213-T91钢和
TP347不锈钢之间，而且具有一定的高温强度和塑性，是马氏体耐热钢和奥氏体
不锈钢之间比较理想的填充材料。

采用INCONEL 82焊接异种钢主要问题是焊接接头易出现热裂纹、气孔、夹渣、未焊透等缺陷，为防止这些焊接缺陷的产生，必须在焊接工艺上来
采取措施，选择合适的线能量。

从理论上来讲，线能量越小越好。

这样可以减小
焊接接头的熔合比和热裂纹倾向，同时也减少了焊缝中有害杂质的聚集及碳的扩散。

但实际应用线能量是不能太小，因为镍基合金焊丝在熔化状态下，表面张力大，铁水粘，流动性差，线能量太小时，有气泡和熔渣形成时不易排除，易产生
未熔合、气孔和夹渣等缺陷，所以，使用镍基合金做为填充材料时，所选用的线
能量即不能太小，也不能太大。

3.5焊前准备
1）清理焊逢缝两侧15-20mm内外壁的油锈污蚀等,直至发出金属光泽。

2）焊前预热SA213-T91侧150-200℃。

3）点固焊为一点，其长度10-15mm。

点固焊焊好后，进行校正，检查有无焊
缝质量问题，如有缺陷应立即清除，重新点固。

试件校出其反变形，为1.0-
1.5mm。

4）采用70°-80°的坡口，无钝边，大间隙。

增大坡口角度,增加焊接层数,
这样可以减小熔合比,可以有效降低珠光体母材对焊逢的稀释作用。

坡口形式及
充氩方式如下图所示：
坡口形式及充氩方
式
3.6焊接工艺参数
水平固定管、垂直固定管焊接工艺参数见下表。

水平固定焊接工艺参数
垂直固定焊接工艺参数
3.7焊接操作要点
1)对口不得强行组对点固焊接,以防止焊缝产生较大的拘束应力。

2）引弧时在焊缝内采用高频或短路引弧，焊接动作要求轻、柔、快，防止
碰断钨极端头，造成夹钨或形成电弧划伤。

3）由于现场环境和管子直径的因素，在焊接方法上采用手工钨极氩弧焊，
打底时必须采
用内填丝焊法，对称焊。

施焊时，需注意检查管道内部氩气充满且稳定后方
可进行
根部焊接，以防止根层氧化，最后收口时背部冲氩流量要衰减致2-3 L/min，以免压力过
大形成内凹。

填充时应注意以下事项；应以两坡口梭边为基准、横向摆动时不应过宽以
防烧坏左右两坡口梭边、同时填充金属厚度不应过厚，预留深度1mm 低于母材。

4）镍基焊丝的流动性和焊透能力很差。

为减少熔合比，采用V形坡口，稍大角度，小直径焊丝，电流要尽量小，熔深要浅，快速焊接，以控制线能量并降低母材熔合比。

5）盖面时，焊丝随着焊枪的摆动将熔滴带到坡口两侧，焊丝的给进量要严格控制，采用多层多道焊，每层厚度不超过2毫米。

每道焊接完成后应采用钢丝刷将焊道浮渣清理干净，并控制好层间温度。

每层之间的温度不能大于150°C。

4.焊接试样检验结果
4.1焊接接头外观检查、断口、射线探伤结果均合格见下表：
外观检查、断口、射线探伤结果表
4.2两种位置焊接工艺常温下的机械性能见下表TP347与SA213- T91钢对接焊接头的常温机械性能
4.3焊接接头金相组织为：
4.4焊接特点及注意事项：
1）选用INCONEL 82焊丝是理想的焊接材料；
2）采用合适的焊接规范、大间隙、快焊速、内填丝进行焊接。

3）为了防止焊缝过热，焊接电流应比耐热钢小10-20％左右,并且采用小直径焊丝。

4）施焊时T91侧预热150-200℃、并进行焊后热处理，适宜于现场操作。

5）应短弧施焊钨极与焊丝或钨极与焊缝尽量不相碰。

动作轻、柔、快。

6）焊枪角度及焊丝角度应随管件圆弧改变而及时变动。

7）接头时应相互搭接重复熔合。

收弧时将电弧带至坡口侧并给焊丝做填充熄弧。

把整个熔池温度带出，降低焊缝中心熔池温度，避免产生裂纹。

8）盖面后，焊缝外观尺寸要符合DL/T679及锅规要求，达到外观平整、均匀美观，不允许有表面气孔、未溶合焊缝裂纹、夹渣缺陷。

5.结论
该工艺不仅满足了焊工培训与考核的基本要求，也为解决云南省各行业生产检修中的相关疑难问题提供了简便、节约、科学的依据和途径。

在省内多家企业焊接实际工作中得到成功运用，焊口合格率高达99%以上。

因此TP347与
SA213- T91钢异种钢小径管焊接时，采用高合金的INCONEL82焊丝作为填充金属进行焊接是非常可行的。

只要严格执行焊接工艺，操作手法熟练，减少热输入控制熔合比就能获得优质合格的焊接接头。

同时该工艺对现场焊接此类异种钢小径管有较高的指导作用。

参考文献
［1］《金属与焊接分册》中国电力出版社
［2］《新型耐热钢焊接》中国电力出版社
［3］《火力发电厂焊接技术规程》DL/T869-2004
［4］《火力发电厂异种钢焊接技术规程》DL/T 752-001
［5］《焊接工艺评定规程》DL/T868-2004
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