焊接工艺评定介绍

1、.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*;- 1 -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

2、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）

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抗拉强度MPa屈服强度（0.2%） MPa断后伸长率5d,%180°冷弯裂纹长度mm焊缝冲击功J硬度HB62044015341300其它要求1、试件焊缝根部应焊透，不得有未熔合。表面及内部质量应符合相关标准要求。2、微观金相检验：焊缝金属和热影响区不出

4、现严重的组织偏析、淬硬的马氏体、网状组织等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

5、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Akv（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

6、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 试板焊接规范参数焊接材料预热温度（）层间温度（）焊接规范牌号规格焊接电流（A）焊接电压（U）焊接速度（cm/min）MTS6163.2200200300120242618焊后热处理焊条烘干

7、温度时间(h)热处理起始温度（）热处理温度（）恒温时间（h）升温速度(/h)降温速度(/h)80907602300300（300350）1.5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）材料化学成分CMnPSSiNiCrMoA335P920.070.130.30.60.020.010.50.48.59.500.30.6Alcromocord920.111.050.0

8、0820.0080.190.448.600.50Boehler Fox P920.0980.620.0120.0050.200.538.030.48Chromet92注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VNbWBNCuAlCoA335P920.150.250.040.091.52.00.0010.0060.030.07/0.04/Alcromocord920.220.0611.850.00280.037

9、0.017<0.0050.0099Boehler Fox P920.180.0361.41<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焊条抗拉强度MPa非比例延伸强度MPa延伸率(5d)%断面收缩率%冲击功(20)J硬度HB

10、A335P9262044020(4d)/250901x-G62053017(4d)/Alcromocord9283571016.559.042(39, 43, 43)21278063517.561.076561019.058.5Boehler Fox P9285076012.057.019(21, 16, 19)22389579014.058.588078013.559.5Chromet9286076013.048.0103(107,105,96)19872058017.059.576063514.056.0MTS61672558518.065.0100(100,102,97)/7556102

11、1.056.066043521.563.5表5 熔敷金属600短时高温力学性能焊条抗拉强度MPa0.2%屈服强度MPa延伸率(5d)%断面收缩率%P92钢375300/Alcromocord92405270187646041027754654251571Fox 92525480217038036021704304052478Chromet92530510206748545019683753452578MTS616430395207540537027803853602680表6 熔敷金属扩散氢含量焊条Alcromocord92Fox 92Chromet 92MTS616H（mL/100g）2.5

12、2、3.493.82、2.662.37、1.511.84、2.322.68、3.252.11、2.870.86、1.391.64、1.77表7 熔敷金属相变点温度相变点P92钢Alcromocord92Fox 92Chromet 92MTS 616AC1()800784800800786AC3()900885868883885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，

13、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试样编号RmMPaRp0.2MPaA%Z%AkvJNo472558518.065.0100(100,102,97)75561021

14、.056.0No4-1#81569517.059.027(16,30,35)82571015.063.5No4-2#84072017.060.066(66,72,60)83071017.560.53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：355×42mm ，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（0.070.13%）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

15、（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2.4mm的GTAW焊丝：9CrWV；规格2.5mm、3.2mm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9 P92钢和熔敷金属化学成分（Wt）材料CSiMn

16、SPCrNiMoWVNbBAlNP920.10.470.40.0010.00828.770.120.381.480.160.0540.00110.020.0439CrWV0.120.290.710.0080.0099.080.490.421.720.190.060.003<0.010.06Chromet 92(2.5)0.10.20.640.010.0090.060.610.481.670.190.0520.0020.010.063Chromet 92(3.2)0.0910.240.640.0090.00539.130.540.481.670.200.0570.0022/0.046表10

17、 P92钢和熔敷金属机械性能材料室温拉伸冲击功J抗拉强度MPa非比例延伸强度MPa延伸率%断面收缩率P9265147031.271118、135、134熔敷金属86076013.048.0107、105、9672058017.059.576063514.056.03.2 P92钢焊接参数的选取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

18、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

19、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140mm190mm，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

20、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(800500)的冷却时间是根据理论公式计算的结果。表11 焊接规范参数试验编号预热层间温度电流A电压V焊接速度mm/min焊层/道数t8/5s1#200200-300120126232611018015/5111.

21、72#200200-300125140222412016014/3213.73#150150-250120127232612016018/3410.84#200180-250120126222416020019/469.125#150170-250123125232517021020/567.36#200200-250122125242816019019/499.142）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

22、加热器布置和均温程度试验编号柔性陶瓷电阻加热器类型单片加热器宽度mm数量(片/组)功率kW控温点温度max/min1#履带式20022012、6点767/6952#履带式1502303、9点764/701736(12点)3#履带式15023012、6点770/7164#履带式2003303点 770/7605#绳状2103423点770/6846#履带式40024012、6点770/760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1020，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750×2h760×2h，而记录仪显示外6点的最高温

23、度为700(保温不好)。表13 各焊口热处理规范参数试验编号热处理起始温度（）热处理温度（）恒温时间（h）升温速度(/h)降温速度(/h)1#10076041501502#8010076071501503#80100768±361501504#80100750/7705/3300/1001505#801007704300/1001506#801007705300/1301503）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。表14 各焊接接头热处理前后的布氏硬度值（HB）试验编号热处理前硬度热处理后硬度

24、热影响区焊缝加热区或热影响区焊缝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、级要求，质量合格。4焊接接头性能试验数据41

25、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16#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。42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 焊接接头金相组织试样编号取样位置特征组织对应图号1-J焊缝回火马氏体晶界和晶

26、内均匀析出的碳化物。由于回火不充分造成的试样柱状晶内存在明显的马氏体板条位向。7-1#2-J焊缝回火马氏体少量铁素体晶界和晶内均匀析出的碳化物7-2#3-J焊缝回火马氏体少量铁素体晶界和晶内均匀析出的碳化物7-3#4-J焊缝回火马氏体少量铁素体晶界和晶内均匀析出的碳化物7-4#-1熔合线左部为焊缝，右部为粗晶区7-4#-2细晶区晶粒细小均匀，组织为回火马氏体7-4#-3母材母材为回火马氏体7-4#-45-J焊缝回火马氏体晶界和晶内均匀析出的碳化物，试验采用较小的焊接线能量，对焊接接头的金相试样进行宏观分析，基本不存在明显柱状晶7-5#6-J焊缝回火马氏体7-6#-1熔合线左下为焊缝，右上为粗晶

27、区，熔合线上存在白块组织7-6#-21(200×)2（200×）3（400×）4-1（400×）4-2（400×）4-3（400×）4-4（400×）5（400×）6#-16#-2图7 焊接接头金相组织 43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HB300HB，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。2）维氏显微硬度

28、测定试验显微硬度的载荷为200gf，保载时间10s。进行硬度值测试的位置为靠近上表面的一条线上，显微硬度试验结果如表16所示，试验结果表明,在本工艺条件下，没有发现明显的如理论中所述的细晶区软化的现象。同时，各试样的焊缝组织中均存在白块状的似铁素体组织，对该组织进行的显微硬度试验表明该组织的硬度比一般意义的铁素体为高，但是明显低于马氏体组织，没有发现明显的淬硬相存在。所以认为该组织不会对试样的脆断有明显的影响。表16 维氏显微硬度测试结果试样编号焊缝粗晶细晶母材1#319.9317.4329.5267.34#白块组织：281.5、299.3回火马氏体：311.6、310.7307.1315.2

29、234.74.3焊接接头冲击功焊接接头的冲击功见表17。取其中的3组冲击试样作断口分析， 1000×下的断口SEM照片以及与此相对应的断口分析见表18，目的是为了验证是否晶界上的粒状析出物是造成试样冲击脆断的主要原因，断口分析结果排除了这个假设。表17 焊接接头冲击功试样编号取样位置焊缝冲击功（J）热影响区冲击功(J)备注1表面24、15、16（18.3）31、9.0、8.0（16）注1：热处理炉中增加765/3h热处理，升温速度150/h，随炉冷却线能量：13.8KJ/cm根部15、14、15（14.7）表面125、25、17（22.3）171、171、186（176）根部122、

30、10、16（16）2表面18、22、31（23.7）191、174、193（186）线能量： KJ/cm 根部18、15、16（16.3）32表面37、37、38（37.3）/注2：其中1组数据为平焊位置，2组为立焊位置线能量：14.5KJ/cm根部37、29、15（27）表面28、25、25（26）/根部29、30、30（29.7）43表面52、49、55（52）/注3：其中1组数据为立焊位置，2组为平焊位置线能量：9.3KJ/cm根部51、32、44（43）表面72、65、58（65）/根部48、45、68（54）5表面21、13、15（16.3）注3：炉中760/2h热处理，升温速度20

31、0/h，随炉冷却，6点位置取样线能量：9KJ/cm根部21、17、9（16）中间345、33、30（36）6表面52、48、41（47）/线能量：10KJ/cm 根部42、24、47（38）表18 断口形貌以及形貌特征分析3宏观和起裂区1#、2#起裂区编号宏观分析微观分析3断裂前没有产生明显的塑性变形，有金属光泽的脆性断口，启裂区和扩展区均为准解理穿晶，具有明显塑性变形的撕裂棱和韧窝，伴随有二次裂纹。1、2有强烈金属光泽的脆性断口启裂区和扩展区均为准解理穿晶。和3相比，每个小断裂面上存在解理面稍大。伴随有二次裂纹4.4全厚度焊缝金属拉伸、侧弯试验数据1）焊接接头拉伸试样为全厚度板状拉伸试样，1拉伸试样的平行部分长度为焊缝的表面宽度60mm。其余的拉伸试样，为了准确测量焊缝的拉伸强度，使拉伸试样断在焊缝上，平行部分长度为焊缝的表面宽度12mm。拉伸试验结果符合标准规定要求。试验编号室温拉伸取样位置Rm