T91小徑儀表管焊材選用工藝試驗

王影建，梁艷玲，星建民，范紹林

1.北京科技高級技術學校 北京 102308

2.山西太原中冶天工鋼構容器分公司 山西太原 030008

1 序言

某電廠項目部在主蒸汽管道取樣管施工中，需要焊接φ18mm×4mm的SA213-T91小徑管，由于管徑小無法進行焊后熱處理，故經過研究，決定采用ERNiCr-3鎳基焊絲和ER90S-B9焊絲進行焊后力學性能對比試驗。

2 焊接性分析

SA213-T91鋼為馬氏體組織，是在9Cr1MoV鋼的基礎上降低碳含量，嚴格限制硫、磷含量，添加少量的釩、鈮元素。其具有較好的持久性和較高的強度，但冷裂紋敏感性比較強，有一定的熱裂傾向，使焊接性變差。因合金含量較多，鋼液黏稠，容易出現未熔合、根部氧化等缺陷，所以焊接難度較大[1]。SA213-T91鋼的化學成分及力學性能見表1、表2。

3 焊接工藝試驗

焊接工藝試驗著重于檢驗SA213-T91小徑儀表管在不能采用電加熱方法進行焊后熱處理的條件下，選用ERNiCr-3鎳基焊絲焊后保溫緩冷和與SA213-T91鋼相匹配的ER90S-B9焊絲焊后火焰加熱并保溫緩冷的方法進行對比試驗，目的是檢測焊接接頭焊后的力學性能能否滿足使用要求。

表1 SA213-T91鋼的化學成分（質量分數） （%）

表2 SA213-T91鋼的力學性能

（1）焊接材料 ERNiCr-3焊絲和ER90S-B9焊絲的化學成分及力學性能見表3～表6[2]。

表3 ERNiCr-3焊絲化學成分（質量分數） （%）

表4 ERNiCr-3焊絲熔敷金屬力學性能

（2）焊接工藝試驗 試驗條件：管材規格為φ18×4mm和φ60×4mm，焊絲采用ERNiCr-3或ER90S-B9 ，焊接方法采用GTAW，氬氣流量為6～8L/min，焊接層數為2層，焊接位置為6G，焊口充氬，焊前火焰預熱至150～200℃，采用鎳基焊絲焊后進行保溫緩冷，采用ER90S-B9焊后進行火焰熱處理，達到650～700℃厚保溫緩冷。詳細方案及焊接參數見表7。

表5 ER90S-B9焊絲化學成分（質量分數） （%）

表6 ER90S-B9焊絲熔敷金屬力學性能

（3）工藝試驗過程及分析 方案一：進行4次試驗，1-1、1-2試驗用管材采用客戶提供的SA213-T91鋼，尺寸為φ18×4mm，焊后進行力學性能試驗，拉伸試驗合格，面彎、背彎結果不合格，經過與項目工作人員溝通，對管子母材進行檢驗，發現首批管子母材不合格，客戶對管子進行了更換。

客戶對不合格儀表管進行更換后，我們對新到的SA213-T91鋼管子在焊前進行了相關檢測，確認管子合格后，為保證熔合良好，防止產生焊瘤、內凹等缺陷可能對力學性能的影響，決定采用φ1.6mm焊絲進行工藝1-3、1-4次試驗。工藝試驗時采用與1-1、1-2相同的施焊人員，焊絲φ1.6mm，焊接電流、電弧電壓比1-1、1-2稍小。工藝評定結果仍然是背彎不合格，不合格背彎試樣如圖1所示，拉伸試驗合格，面彎合格，背彎不合格。

方案二：由于方案一的4次評定結果均不合格，因此分析是否因為管子直徑小，背彎時內壁不平直，導致背彎不合格，隨后決定進行方案二，即采用φ60mm×4mm的管子進行一次試驗。采用的焊接參數和方案1-1、1-2相同，結果：拉伸試驗合格，面彎合格，背彎檢驗仍然不合格（注：有的背彎甚至剛彎到90°就產生裂紋）。詳細結果見表8。

圖1 1-4方案工藝背彎試驗

從圖1和方案二分析，所有不合格試樣背彎斷裂均在熔合線上，原因分析如下：

1）焊縫熔敷金屬為鎳基合金，其延展性好，因此焊縫根部和表面在彎曲時無缺陷。

2）SA213-T91鋼母材本身為鍛造組織，母材生產時工藝到位，性能合格，因此母材處彎曲時無缺陷。

3）熔合線為焊縫最薄弱部位，由于未進行焊后熱處理，因此熔合線上應力較大，組織晶粒粗大，造成彎曲時背彎不合格，與管子直徑無關，與焊絲的直徑也無關。

方案三：分析清楚原因之后，通過改變焊后熱處理工藝，又進行了方案三的試驗。

表7 焊接參數

表8 各方案試驗結果

方案三選用與母材相匹配的ER90S-B9焊絲，焊后用火焰加熱至650～700℃保溫，然后緩冷至室溫。拉伸和彎曲檢測結果均合格，硬度略高。母材和焊縫硬度見表9。

表9 母材和焊縫硬度 （HBW）

由表9數據分析可知：母材硬度在合格范圍內，焊縫硬度高。焊后雖然進行了火焰熱處理，但恒溫時間和加熱溫度不夠，造成焊后組織轉變不充分，因此硬度偏高。

通過修改焊后火焰熱處理工藝措施，減小了焊縫的應力集中，緩解了熔合線上的應力狀況，因此背彎合格。

4 結束語

1）通過本次對小徑管SA213-T91焊接工藝試驗，我們總結出鎳基焊絲并不是全能焊絲，要使焊縫達到標準性能要求，必須選擇合適的焊接材料、采用正確的焊接工藝。

2）鎳基焊絲只能應急而不能作為永久的焊接材料使用。

3）嚴格制定焊后熱處理工藝措施，也是保證焊接質量的關鍵。

4）焊前一定要及時對母材、焊材進行化學成分、硬度等檢測，防止不合格產品影響工程質量。

5）SA213-T91鋼小徑儀表管焊后在不能進行電加熱的情況下，采用火焰加熱也是焊后熱處理的加熱方法之一。