P92鋼藥芯焊絲電弧焊工藝研究

張豐收，李俊峰，趙永遠

河南華電金源管道有限公司 河南鄭州 451162

1 序言

隨著現代火力發電機組向大容量、高參數發展，對管道材料的使用性能提出了更高的要求。從保證焊接質量而言，無論是管材壁厚的增加還是高性能材料的使用，均增加了一定的焊接難度。為保證火力發電廠的正常運行和建設的要求，不僅要求高質量的焊接接頭，還要求有高的焊接效率。

P92鋼是在P91鋼的基礎上加入1.5%~2.0%的W，降低0.5%的Mo，同時增加少量B的新型耐熱鋼。P92鋼在600℃的許用應力比P91鋼高30%以上，且抗熱疲勞性、熱傳導系數和膨脹系數遠優于奧氏體不銹鋼，抗腐蝕性和抗氧化性能也優于其他9%Cr的鐵素體耐熱鋼[1]。其廣泛應用于我國超超臨界機組的主蒸汽管道或高溫再熱蒸汽管道[2]。

藥芯焊絲電弧焊是屬于氣體保護焊的一種，國外20世紀80年代就開始了廣泛應用，國內多應用于石油管道、船廠等工程結構件的焊接，并取得了良好的效果[3]，在電力行業應用較少。目前，國內對P92鋼藥芯焊絲電弧焊研究極少，本文以P92鋼為基礎材料，研究P92耐熱鋼藥芯焊絲電弧焊接工藝，在保證焊接質量的前提下，進一步提高焊接的自動化水平和焊接效率，減少對焊接工人的依賴，有助于P92鋼的藥芯焊絲電弧焊應用推廣。

2 試驗材料和方法

本試驗使用300mm×300mm，厚度為25mm的SA-335 P92鋼板，坡口為單V形，焊接試驗采用鎢極氬弧焊打底+藥芯焊絲電弧焊填充的焊接方法，藥芯焊絲電弧焊使用80%Ar+20%CO2混合氣體保護，氬弧焊選用奧鋼聯伯合樂Thermanit MTS616，?2.4mm焊絲，藥芯焊絲電弧焊選用奧鋼聯伯合樂P92 Ti-FD，?1.2mm焊絲，焊材的主要化學成分見表1。

（1）焊接工藝 焊材牌號、規格和施焊參數見表2。

由于試板厚度為25mm，焊道設計為氬弧焊打底2層，每層1道，熔敷厚度約4mm，藥芯焊絲電弧焊7層，每層1~4道，熔敷厚度約21mm。焊接焊道順序如圖1所示。

表1 試驗用P92鋼與焊絲主要化學成分（質量分數） （%）

表2 P92鋼藥芯焊絲電弧焊焊接參數

圖1 試板焊接焊道順序

（2）焊接注意事項 P92鋼為裂紋敏感型材料，藥芯焊絲電弧焊的預熱和伴熱過程中，需嚴格控制焊接工藝溫度，即不能低于預熱的下線溫度150℃，層間溫度也不能高于伴熱上線溫度300℃[4]。

藥芯焊絲電弧焊時，主要的工藝參數為電弧電壓和送絲速度，電弧電壓應保持25~32V，送絲速度應與焊絲的熔化速度相匹配。

（3）焊接＋熱處理工藝 坡口預熱溫度為150～200℃后進行氬弧焊打底，打底焊完成后升溫至200～250℃，然后進行藥芯焊絲電弧焊，焊接完畢冷卻至80～100℃完成馬氏體轉變，最后進行熱處理，加熱寬度為焊縫中心兩側各200mm，保溫寬度為焊縫中心兩側各500mm[5]?；鼗饻囟葹?60℃，保溫4h，升、降溫速度≤150℃/h，降溫時，冷卻至300℃以下后空冷。藥芯焊絲電弧焊焊接及熱處理工藝如圖2所示。

圖2 藥芯焊絲電弧焊焊接及熱處理工藝

3 試驗結果

（1）焊接外觀 經過焊縫表面外觀檢查，焊道清晰均勻，飛濺少，焊縫成形質量良好，外觀質量受焊工個人技能水平影響較??；焊縫表面無咬邊、氣孔、夾渣等缺陷，符合藥芯焊絲電弧焊焊縫特點[6]，焊縫外觀質量如圖3所示。

圖3 焊縫外觀質量

（2）無損檢測 依據NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》標準對藥芯焊絲電弧焊接頭進行RT、UT和MT檢測，焊縫質量合格，焊縫內部無夾渣、氣孔、裂紋等超標缺陷，焊縫質量均滿足標準要求。

（3）力學性能 依據NB/T 47014—2015《承壓設備焊接工藝評定》標準對藥芯焊絲電弧焊接頭進行拉伸、側彎、沖擊、硬度試驗。焊縫接頭的抗拉強度為685MPa、690MPa，高于標準值620MPa要求，斷裂位置為焊縫的熱影響區；焊縫側彎試樣無裂紋；沖擊吸收能量KV2為178J、190J、198J，沖擊吸收能量遠高于P92鋼的埋弧焊和焊條電弧焊；使用布氏硬度計檢測焊縫硬度，硬度值為198HBW。焊縫常溫力學性能指標均滿足標準要求，詳見表3。

表3 藥芯焊絲電弧焊焊縫力學性能

（4）顯微組織 焊縫宏觀無缺陷，焊縫與母材熔合較好，顯微組織為典型的回火馬氏體；熱影響區顯微組織晶粒細小，組織長大不明顯。焊縫的顯微組織如圖4所示。

圖4 藥芯焊絲電弧焊焊縫顯微組織

4 討論分析

（1）焊接性能 在P92鋼使用藥芯焊絲電弧焊時，選用上述焊接參數和熱處理參數，可以得到外觀優良，內部質量合格，力學性能優良等各項指標合格的焊縫。

（2）焊接缺陷原因和措施 在焊接試驗前期，焊縫截面發現有夾渣、氣孔等缺陷，經過綜合分析缺陷形成的原因，調整焊接參數，使缺陷消除。

1）夾渣缺陷。原因是焊接過程中熔渣未有效溢出熔池，導致層間夾渣尺寸較大。改進措施：①調整焊接參數，加大焊接電流和電弧電壓，電流由20~28A調整至25~32A。②每層焊接厚度不應太厚，層間厚度不宜大于3mm。

2）氣孔。原因是保護氣體保護不完全及焊絲潮濕導致焊道中產生氣孔缺陷。改進措施：①增大混合保護氣體流量，保證氣體流量≥20L/min。②焊絲在使用之前烘干，焊接過程中需一次焊接完成。

3）根部裂紋。原因是焊絲直徑小，焊縫根部間隙過小時容易產生焊接裂紋。改進措施：選用3～4mm焊接間隙。

（3）焊接效益 采用藥芯焊絲電弧焊時，焊接電流主要流經金屬外殼部分，其電流密度比實芯焊絲大，故其熔敷效率明顯高于實芯焊絲[7]。經焊接當量核算，1kg的P92鋼熔敷金屬在使用藥芯焊絲電弧焊時，需要1.4kg的藥芯焊絲，當使用焊條電弧焊時，則需要使用1.8kg焊條，焊材節約22.2%。

以660MW火力發電機組P92鋼主蒸汽、再熱熱段管道卡塊為例，單臺機卡塊需要熔敷金屬226kg，使用藥芯電弧焊時，需要316kg藥芯焊絲，使用焊條電弧焊時，需要406kg焊條，整體節約焊材22.2%。

（4）焊接效率 藥芯焊絲電弧焊操作性好，熔滴以滴狀過渡或射流過渡，不發生短路過渡，飛濺很少，焊接難度小，焊接效率高，且焊縫成形和外觀良好[6]。藥芯焊絲電弧焊和焊條電弧焊焊接效率對比見表4。

表4 藥芯焊絲電弧焊和焊條電弧焊焊接效率對比

同樣，以660MW火力發電機組為例，焊工焊接時，使用藥芯焊絲電弧焊的焊接時間為32.25h，使用焊條電弧焊的焊接時間則需64.5h，時間節約50%，焊接工效大幅提高。

5 結束語

1）當P92鋼采用藥芯焊絲電弧焊時，選用合適的焊接參數，焊縫的外觀質量、無損檢測及焊縫的力學性能和顯微組織均能達到標準要求。

2）當P92鋼采用藥芯焊絲電弧焊時，加大焊接電流和電弧電壓，減小焊接厚度，可避免夾渣缺陷；增大混合保護氣體流量≥20L/min和保證焊絲烘干，可消除氣孔的產生；由于焊絲直徑小，選用3～4mm焊接間隙，可減少根部裂紋的產生。

3）藥芯焊絲電弧焊從焊接效益和焊接效率上，均比焊條電弧焊具有明顯優點。660MW火電機組P92鋼卡塊焊接，藥芯焊絲電弧焊與焊條電弧焊比較，焊材使用量節約22.2%，焊接效率提高一倍。