P92焊接工艺评定介绍讲解

A335P92钢焊接工艺优化试验研究课题进展情况介绍国电电力建设研究所二○○五年十一月二十七日目录1．本课题目标的提出2．焊接材料的选择3．焊接工艺试验实施4．焊接接头性能试验数据5．推荐的焊接工艺6．结束语内容摘要：本文对在各电建公司进行的P92钢焊接工艺评定进行了详细的描述，包括焊接过程参数和焊接热处理过程都进行了详细的记录，涉及到对焊接线能量即焊接电流、电压、焊接速度的控制以及如何实现，对预热温度和层间温度的控制以及加热器的包扎，通过多种试验优化方案得到的较为理想的工艺。

试验的过程中，依据标准DL/T868-2004对焊接接头分别进行取样分析，包括拉伸、冲击、弯曲、硬度和金相等，用以对焊接工艺评定成功与否进行了验证。

1．本课题目标的提出随着P92钢材在电力建设超超临界机组中的投入而且有被广泛使用的趋势，电力建设工程界迫切需要一套相对比较合理成熟的P92钢焊接工艺。

国电电力建设研究所会同山东电力建设第二工程公司、河北电力建设第一工程公司、河北电力建设第二工程公司、河南第一火电建设公司、江苏电力建设第一工程公司、湖南火电建设公司等六家电力建设公司共同组建了P92钢焊接工艺优化试验研究课题组。

课题的主要目的是通过有限的试验寻找满足DL/T868《焊接工艺评定规程》的比较合理的焊接工艺。

为此，要解决如下问题：（1）确定合适的焊接材料；（2）确定合理力学性能尤其是室温冲击韧性指标；（3）解决焊缝和热影响区软化问题；（4）提出合适的现场焊接工艺参数。

课题组于2004年11月22日至24日在南京召开了会议。

会议根据进口焊接材料的熔敷金属试验结果，确定了采用进口焊接材料的原则。

依据焊接工艺评定标准，确定了室温下P92钢焊接接头基本性能要求（见表1），同时制定了P92钢焊接工艺优化试验研究任务书。

表1 P92焊接接头基本性能表试验的试样要求和合格标准：1）全截面金相观察试样：试样包括焊缝、热影响区、母材，从宏观和微观方面分别检查各区的组织，硬度分布，检验方法执行标准GB/T 884-2004，合格标准执行DL/T868结合ASME QW-183。

2）轴向焊接接头室温拉伸试样：全厚度拉伸试样，每组两件，焊接试样取样尺寸执行标准GB2651-89《焊接接头拉伸试验方法》。

合格标准执行DL/T868结合ASME QW-153.1。

3）焊缝及热影响区金属室温冲击取样：焊缝金属分底层和近表层加工，热影响区从近表层加工，每组三根。

缺口开在垂直于管子外壁，试验方法执行标准GB2650《焊接接头冲击试验方法》。

按照ASME规范规定，T/P92钢的焊接接头要求达到Ak v（一般用钢或者是横向）≥30ft·lbf（J=1.355818ft·lbf，41J）（核电用钢或者是纵向）≥50ft-lb（68J）。

因此，在工艺评定任务书力学性能要求中规定了焊接接头的冲击功达到41J。

对于P92这类细晶强韧化耐热钢材，实施过程中焊接接头的脆化倾向比较明显，因此课题组特别关注冲击韧性指标。

4）焊接工艺评定侧弯试样：共4件，执行标准GB/T 2653，侧弯试样合格标准为每片试样的拉伸面上在焊缝和热影响区内任何方向上都不得有长度超过3mm的开裂缺陷。

弯曲试样检测焊接接头的塑性，揭示焊接接头内部缺陷，检测焊缝致密性，考核不同区域协调变形的能力。

各种试样取样位置如图1所示。

图1 焊接接头取样示意图2．焊接材料的选择在南京会议之前已经完成了三种焊接材料的熔敷金属试验。

会议之后，根据课题组建议，电建所1月份又安排了对Thyssen MTS616熔敷金属的试验。

所有的焊接材料试样参考标准GB5118并接合ASME SFA5.5统一试板、统一焊接、热处理规范、统一加工方法的原则制作，规范参数如表2所示。

表2 试板焊接规范参数试验项目包括金相组织见图2、化学成分分析、力学性能、扩散氢含量测试、相变点分析和施焊工艺性能等，9月份又补充了Chromet 92的熔敷金属化学成分分析。

电建所只做金相试验，其他试验外委。

试验结果如下：图2 熔敷金属金相组织(400×)表3 熔敷金属化学成分（wt％）注：CHROMET92 熔敷金属试验批号不同，分别为WO21333、WO21804表4熔敷金属室温力学性能试验表5 熔敷金属600℃短时高温力学性能表6 熔敷金属扩散氢含量表7 熔敷金属相变点温度在对各熔敷金属的试验数据进行分析和听取了课题组成员单位的意见后，选定Chromet 92 作为这次工艺评定焊接材料。

补充试验：在进行MTS616熔敷金属力学性能试验时，附加了两个后热处理工艺试验，焊接工艺与不后热处理的试板工艺相同。

试板编号：N04＃：焊后冷却至80-90℃，保温1小时，进行热处理。

No4-1#：焊态直接完成后热处理，后热温度300℃，恒温2小时，然后冷却至室温，搁置24小时，进行热处理。

No4-2#：焊后冷却至80-90℃，保温1小时，再升温至300℃进行后热处理，恒温2小时，然后冷却至室温，搁置24小时，进行热处理。

对No4-1#，No4-2#取样进行20℃的室温冲击和拉伸、金相试验，试验结果如表8所示。

三种工艺取得的试样的熔敷金属显微组织均为回火索氏体，差别不大。

表8 熔敷金属（MTS616）不同焊接热处理力学性能试验3．焊接工艺试验实施3.1 P92母材和焊接材料试验采用的P92钢管的规格：ф355×42mm ，钢管以正火和回火状态供货，其规范为：正火1040℃/4h、空冷，回火760℃/11h、空冷。

P92钢属于低碳（0.07~0.13%）高合金（合金总含量>10％）铁素体系耐热钢，沿厚度方向切取金相磨片，并用盐酸苦味酸酒精溶液腐蚀，所得到的显微组织如图3所示，其原始组织为回火马氏体，析出的碳化物M23C6（M为Fe、Cr或Mo）和MX（M为V或Nb，X为C或N）型V/Nb氮化物均匀的分布在板条马氏体晶界和晶内，晶粒大小不均匀。

图3 P92供货状态P92钢的组织（200X）焊接材料的化学成分直接影响焊接接头的性能，试验确定焊接材料采用英国曼彻特焊接材料公司提供的规格ф2.4mm的GTAW焊丝：9CrWV；规格ф2.5mm、ф3.2mm的SMAW焊条：CHROMET92，标准编号：E9015-G。

P92钢管和熔敷金属化学成分详见表9，力学性能见表10。

坡口设计：双V 型，尺寸见图4，具体的尺寸根据机加工条件来确定。

焊接位置：6G图4焊接坡口尺寸设计表10 P92钢和熔敷金属机械性能试验由持有焊接操作资格证，且具有丰富施焊经验的焊工担任。

焊接设备选用较多的是ZX7-400STG。

3.2.1焊接参数的选取根据南京会议上课题组协商并制定的P92钢焊接参数和热处理参数，并结合现场实际（如热处理）和生产效率等各方面因素，在5月8日和6月分别安排了两组P92钢焊接工艺试样的焊制，课题组对焊接过程和热处理过程都进行了详实的记录。

试验结果不甚理想，主要是弯曲试验和冲击试验结果达不到要求。

课题组注意到一些现象，金相组织的沿奥氏体晶界和晶内存在析出物。

经过分析，认为层间温度过高，对焊接参数进行了一些改进。

但在8月份又进行一轮焊接工艺试验，冲击值还是达不到任务书的要求，在对冲击试样进行了SEM分析，断口为准解理断裂，因此排除了之前提出的由于晶界析出物导致的沿晶脆断。

焊接工艺参数有待进一步的完善。

在做了一些炉内热处理试验，并对焊接接头进行了断口分析，总结之后，确定了以下的焊接工艺参数：（1）虽然P92钢的淬透性很强，但是含碳较低，其冷裂纹敏感性并不大，资料推荐P92钢只需预热到100℃即可。

但据上海锅炉厂的SA355P92冷裂纹插销试验和斜Y型坡口焊接裂纹试验的结果表明，预热温度需要提高到150℃，才能有效的防止焊接冷裂纹的产生。

因此在合理选材的前提下，焊接时建议在150℃预热，层间温度不大于250℃。

（2）由于焊缝金属对第一次回火的温度敏感，因此工艺设计每层焊层不能厚，控制焊道厚度不超过3mm，建议焊层为≥18层；焊条可作横向摆动，宽度不超过4倍的焊条直径。

（3）焊接时尽量采用小线能量（～12kJ/cm）的焊接工艺方法，按每根焊条熔化时间为定值：60S，计算下来每根焊条可焊的焊道长度约为140mm~190mm，在焊接过程中的具体操作方法为每条焊道长度不短于按照最大的线能量焊出的焊道长度。

这样才能保证每条焊道的线能量都不超过焊接工艺指导书的设定值。

（4）焊接后热处理操作务必依照标准DL/T 819的要求执行（5）建议焊后热处理温度770℃，热处理时间从均温开始保温5小时，加热电源的功率和加热器尺寸应该能够保证焊缝的均温。

3.2.2具体焊接实施参数1）焊接工艺参数GTAW预热温度150℃，各试验的焊接规范参数如表11所示，表中所列的预热温度为SMAW的预热温度。

表中的t8/5(800℃~500℃)的冷却时间是根据理论公式计算的结果。

2）加热器的尺寸和分布各焊口热处理过程中热电偶的分布示意如图5，加热器的布置以及均温的程度如表12所示。

其中2＃试验焊接后直接后热，参数为300℃/2小时，各焊口热处理规范参数如表13所示。

图5 热电偶分布示意图表12 焊接热处理阶段加热器布置和均温程度试验过程中5＃焊口在热处理过程中存在的问题：电脑显示和记录仪示数温差10℃~20℃，按照记录仪上的示温，外3点和外12点的温度最高，热处理温度为750℃×2h ＋760℃×2h ，而记录仪显示外6点的最高温度为700℃(保温不好)。

表13 各焊口热处理规范参数3）焊接和热处理结束后，对各焊口分别进行了布氏硬度测试，试验数据见表14，试验过程中，2＃试验为打3点取平均值，其余为打5点取平均值。

加热区:指离焊缝边缘20mm4）在按照焊接工艺指导书完成焊接工艺评定后，对各焊口进行了全焊缝超声波探伤和射线检验，各施焊单位检验底片和报告，检验结果符合DL/T821等相关标准I、Ⅱ级要求，质量合格。

4．焊接接头性能试验数据4．1焊接接头的宏观分析图6 焊接接头宏观侵蚀照片（1×）图6为依次为1＃－6#焊接工艺焊接截面的宏观侵蚀照片，对焊接接头的金相试样进行宏观分析，经过侵蚀剂侵蚀的焊接接头焊缝金属与热影响区呈现清晰界限，观察发现这几个试样焊缝金属与母材均熔合良好，焊缝金属和热影响区无裂纹。

符合标准要求。

4．2焊接接头金相组织在各焊口上按照图1示意图取全厚度金相试样进行了金相检验，检验结果见表15，金相组织见图7。

试样经磨光，抛光处理后，用盐酸苦味酸酒精溶液侵蚀。

从金相照片观察，各试样的热影响区面积很小，不完全正火区基本不明显。

表15 焊接接头金相组织1＃(200×) 2＃（200×）3＃（400×）4＃-1（400×）4＃-2（400×）4＃-3（400×）4＃-4（400×）5＃（400×）6#-1 6#-2图7 焊接接头金相组织4．3焊接接头布氏硬度和显微硬度1）布氏硬度（HB）根据DL/T869-2004合格标准规定：热处理后焊缝的硬度数值，一般不超过母材的布氏硬度值加100HB和南京会议任务书中规定的HB≤300HB，如表14所示的焊接接头布氏硬度（HB）值，包括热影响区、焊缝的测量结果表明，所有焊口的测试结果均符合要求。