一种避免P92钢焊缝金属微细裂纹的焊接工艺

摘要

本发明公开了一种避免P92钢焊缝金属微细裂纹的焊接工艺，属于金属材料焊接领域。该焊接工艺提高P92钢预热温度至300℃，层间温度提升至350℃，全部焊接完成后先缓冷至150-200℃保温1-2h，然后缓慢升温至450℃-550℃保温1h-2h，冷却至室温进行超声检测，检查合格，进行焊后热处理，冷却至室温后利用超声检测、TOFD和相共振进行检测是否有缺陷波。该工艺可减少脆性马氏体的形成，增加奥氏体转化成马氏体的体积分数，有效避免了P92钢焊缝金属微细裂纹的产生，消除了超超临界机组安全稳定运行的隐患。

说明书

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及一种焊条电弧焊焊接工艺，尤其是涉及一种避免 P92钢焊缝金属微细裂纹的焊接工艺。

背景技术

超超临界机组因具有节能、环保等优势成为目前火力发电的主要趋势，中国已成 为世界上超超临界火电机组最多的国家。超超临界机组快速稳步发展的关键技术之一是高 蠕变强度耐热钢的选择、制造和安装过程中的焊接及热处理工艺研究、运行后的组织性能 变化规律和部件损伤后的修复技术研究。P92铁素体型耐热钢因具有较高的高温强度和抗 蠕变性能，成为我国超超临界机组联箱和主蒸汽管道的首选材料。

由于锅炉中的P92钢部件主要依靠焊接方式进行连接，而且随着机组容量的增大， 焊接的工作量也不断增多，在焊接条件下，钢材要经历多次焊接热循环的作用，使得焊接接 头的组织和性能极不均匀，从而可能导致焊接接头在运行过程中发生早期失效，成为材料 应用的薄弱环节。目前国内已有多起P92钢部件失效示例，尤其是焊缝金属极易形成微细裂 纹问题仍然是机组安全稳定运行的重大隐患。从最初发现微细裂纹产生于配管厂厂家焊 缝，到现场安装焊缝中有大量微细裂纹存在，表明该类裂纹在现有焊接条件下具有普遍性 特征，这类微细裂纹长度0.5-2mm不等；它不仅产生于焊缝表面，而且在焊缝内部也会存在， 其走向既有沿晶也有穿晶，形态呈蠕虫状，往往在一个微小区域内有多条裂纹存在，焊态下 该区域的硬度明显增高。分析裂纹产生的机制，裂纹的产生与P92钢的成分和焊缝的组织状 态密切相关，它对焊接工艺有较高的敏感性，现有的焊接工艺难以确保焊缝金属不形成该 类裂纹，更为严重的是，该类裂纹大多尺寸小，现有的无损检测技术难以判定焊缝中该类裂 纹的性质，对机组的安全稳定运行构成威胁。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明是提供一种避免P92钢焊缝金属微细裂纹 的焊接工艺，利用“模拟产生P92钢焊缝金属微细裂纹方法”专利技术(CN103008855B)和实 际工程中P92钢焊缝存在的微细裂纹得出的P92钢焊缝金属微细裂纹形成机制，并依据P92 钢马氏体相变的特点和实际工况，提出了避免P92钢的焊缝金属内部微细裂纹的焊接工艺。

具体的，本发明涉及以下技术方案：

一种避免P92钢焊缝金属微细裂纹的焊接工艺，其特征在于，包括如下步骤：

(1)开坡口，并对坡口表面进行清理；

(2)组装对口后进行预热，预热温度为200℃-300℃，保温时间为1-2h；

(3)内部充氩气保护；

(4)焊接方法：手工钨极氩弧焊打底，焊条电弧焊填充和盖面；焊接过程层间温度 控制在200℃-350℃范围内；

(5)全部焊接完成后，先将焊件缓冷至150-200℃保温1-2h，然后缓慢升温至450 ℃-550℃、保温1h-2h；

(6)冷却至室温，进行超声检测，检查合格后进行焊后热处理。

本发明所述焊缝金属微细裂纹与传统的焊缝金属热裂纹和延迟裂纹不同，该类微 细裂纹是焊缝金属在冷却过程中产生的低温脆性裂纹，形态呈蠕虫状，走向曲折有断续，尖 端呈钝化形态，长宽比小，长度0.5-2mmmm。该类裂纹对焊接工艺条件有较高的敏感性，现 有的焊接工艺难以确保焊缝金属不形成该类裂纹。本发明通过在现有P92钢焊接工艺的基 础上，进行大量的实验探索，发现通过焊接工艺参数的改进(包括预热温度、焊接温度控制、 中温处理等)，能够避免焊缝金属微细裂纹的产生。

优选的，本发明所述工艺还包括：步骤(7)磨光焊缝表面，利用超声检测、TOFD和相 控阵方法进行检测。

优选的，步骤(4)中，以Φ370mm×68mm规格管道为例，所用的焊接材料为：手工钨 极氩弧焊所用焊丝为ER90S-G，规格Φ2.4mm；焊条电弧焊所用焊条为MTS616，规格为Φ 2.5mm和Φ3.2mm。

具体焊接参数如下：

第1-3层手工钨极氩弧焊焊层，焊接方法为GTAW，焊丝选用ER9OS-G，规格为Φ 2.4mm，焊接电流为70-120A，电压为10-14V，单层厚度为1-3mm；

第4-25层焊条电弧焊，焊接方法为SMAW，焊条选用MTS616，第4-5层采用焊条规格 为Φ2.5mm，第6-25层采用焊条规格为Φ3.2mm，焊接电流为80-140A,电压为20-24V，单层厚 度为1-3mm。焊缝单层增厚不超过焊条直径，焊道宽度不超过焊条直径的4倍。

更优选的，焊接参数为：

第1-3层手工钨极氩弧焊焊层，焊接方法为GTAW，焊条选用ER9OS-G，规格为Φ 2.4mm，

第1层焊接电流为70-110A，电弧电压为10-14V，单层厚度为2-3mm，

第2-3层焊接电流为80-120A，电弧电压为10-14V，单层厚度为1-2mm；

第4-25层焊条电弧焊焊层，焊接方法为SMAW，焊条选用MTS616，第4-5层采用焊条 规格为Φ2.5mm，第6-25层采用焊条规格为Φ3.2mm，

第4-5层焊接电流为80-120A，电弧电压为20-24V，单层厚度为1.5-3mm，

第6-25层焊接电流为110-140A，电弧电压为20-24V，单层厚度为1-3mm。

优选的，本发明所述P92钢为Φ370mm×68mm规格的钢管或规格为Φ644mm×106mm 的钢管；

优选的实施方案中，步骤(1)，坡口为综合型、U型或双V型，优选的是综合型，利用 坡口机加工成综合型坡口，内外壁距坡口边缘20mm长露出金属光泽。

优选的，步骤(2)中，对口后采用电阻加热方式进行预热，利用热电偶进行测温，预 热温度为200℃-300℃，保温时间为1-2h；

步骤(3)中，为达到良好的充氩效果，焊接之前制作P92钢管专用充氩封闭装置，所 述装置由圆柱状软纸壳和垂直于圆柱底面且均匀分布于圆柱底面圆周的4个支撑架组成， 使用时将封闭装置装于P92钢管内壁两端，在圆柱状纸壳侧面打密封胶与钢管内壁粘附，对 钢管进行封闭。P92钢管专用充氩封闭装置如图2所示；

氩气纯度99.99％，氩气流量6L-20L/min。

步骤(4)中，焊接前手工钨极氩弧焊点焊固定，点焊数量三处，互成120°，尺寸≥ 20mm×3mm；

焊条按说明书要求在300-350℃温度下烘焙2h，放入80-110℃保温桶带入现场随 用随取；

本发明焊接过程中优选采用双人对称施焊，小线能量多层多道焊，焊缝单层增厚 不超过焊条直径，焊道宽度不超过焊条直径的4倍。层间温度控制在200℃-350℃范围内。

优选的，步骤(5)中，全部焊接完成后，先将焊件缓冷至150-200℃保温1-2h，然后 缓慢升温至450℃-550℃、保温1h-2h(升降温速度≤90℃/h)。

步骤(6)中，冷却至室温，进行超声检测，检查合格，采用电阻加热方式进行高温回 火处理，升降温速度≤90℃/h，至150℃以下可保温层内冷却至室温。

步骤(7)中，磨光焊缝表面，利用超声检测、TOFD和相控阵方法进行检测。

发明人通过反复试验验证，发现采用上述焊接参数结合上述工艺条件，可以有效 避免焊缝金属微细裂纹的产生。

本发明取得了以下有益效果：

(1)本发明通过控制焊接工艺,特别是控制预热温度、层间温度、中温处理和焊接 热输入,可获得性能良好的焊接接头；

(2)本发明焊接工艺提高P92钢预热温度至300℃，层间温度提升至350℃，减小脆 性马氏体的形成；焊后缓冷至150-200℃，在焊接热处理前增加450-550℃处理工艺，增加奥 氏体转化成马氏体的体积分数，有效地避免了P92钢焊缝金属微细裂纹的产生，消除了超超 临界机组安全稳定运行的隐患。

附图说明

图1P92钢管综合型坡口示意图，钝边P＝2mm，R＝3mm，坡口面角度α＝20°-25°，β ＝5°，根部间隙b＝2-5mm

图2P92钢管专用充氩封闭装置图，a为正视图，b为侧视图，1-软纸壳；2-支撑架； 3-密封胶。

图3本发明Φ370mm×68mm规格的P92钢管热处理温度曲线

图4P92钢管“U”型坡口示意图，钝边P＝0.5-2mm，根部半径R＝5mm，坡口面角度α ＝13°，根部间隙b＝2-5mm

图5实施例3Φ364×57mm的P92钢管热处理温度曲线

图6实施例1的P92钢焊缝组织金相图

图7a实施例3的P92钢焊缝组织金相图

图7b实施例3的P92钢焊缝组织扫描电镜

具体实施方式

实施例1

一种P92钢的焊接工艺，步骤如下：

(1)P92钢管规格为Φ370mm×68mm，利用坡口机加工成“U”型坡口如图4所示，钝边 P＝0.5-2mm，根部半径R＝5mm，坡口面角度α＝13°，根部间隙b＝2-5mm。内外壁距坡口边缘 20mm长露出金属光泽。

(2)为达到良好的充氩效果，焊接之前制作P92钢管专用充氩封闭装置，如图2所 示。

(3)对口后采用电阻加热方式进行预热，利用热电偶进行测温，预热温度为200℃- 300℃，保温时间为2h。

(4)内部充氩气保护，氩气纯度99.99％，氩气流量6L-20L/min；钨极型号为铈钨 极，规格为Φ2.5mm。

(5)手工钨极氩弧焊点焊固定，点焊数量三处，互成120°，尺寸≥20mm×3mm。

(6)焊接方法：手工钨极氩弧焊打底，焊条电弧焊填充和盖面。

(7)焊接材料：焊丝ER90S-G，规格Φ2.4mm；焊条为MTS616，规格为Φ2.5mm和Φ 3.2mm；焊条按说明书要求在300-350℃温度下烘焙2h，放入80-110℃保温桶带入现场随用 随取。

(8)P92钢管焊接工艺参数如表1所示。

表1P92钢管焊接工艺参数

(9)焊接过程中采用双人对称施焊，小线能量多层多道焊，层间温度控制在200℃- 350℃范围内。焊缝单层增厚不超过焊条直径，焊道宽度不超过焊条直径的4倍。

(10)全部焊接完成后，先将焊件缓冷至200℃保温1.5h，然后缓慢升温至480℃保 温2h(升降温速度≤90℃/h)。

(11)冷却至室温，进行超声检测，检查合格。

(12)采用电阻加热方式进行(760±5)℃×6.5h高温回火处理，升降温速度≤90 ℃/h，降温至150℃以下可保温层内冷却至室温。

(13)磨光焊缝表面，利用超声检测、TOFD和相共振方法进行检测，未发现有缺陷 波。

实施例2

一种现场安装P92钢的焊接工艺，步骤如下：

(1)P92钢管规格为Φ644mm×106mm，利用坡口机加工成“综合型”坡口,如图1所 示，钝边P＝2mm，R＝3mm，坡口面角度α＝20°-25°，β＝5°，根部间隙b＝2-5mm，内外壁距坡口 边缘20mm长露出金属光泽。

(2)为达到良好的充氩效果，焊接之前制作P92钢管专用充氩封闭装置(图2所示)， 对钢管进行封闭，在P92钢管内壁制作专用充气腔室。

(3)组装对口后采用电阻加热方式进行预热，利用热电偶进行测温，预热温度为 200℃-300℃，保温时间为2h。

(4)内部充氩气保护，氩气纯度99.99％，氩气流量10L-20L/min；钨极型号为铈钨 极，规格为Φ2.5mm。

(5)手工钨极氩弧焊点焊固定，点焊数量三处，互成120°，尺寸≥20mm×3mm。

(6)焊接方法：手工钨极氩弧焊打底，焊条电弧焊填充和盖面。

(7)焊接材料：焊丝ER90S-G，规格Φ2.4mm；焊条为MTS616，规格为Φ2.5mm和 3.2mm；焊条按说明书要求在300-350℃温度下烘焙2h，放入80-110℃保温桶带入现场随用 随取。

(8)P92钢管焊接工艺规范参数同实施例1，焊接层数为38层，焊接工艺参数如表2 所示。

表2P92钢管焊接工艺参数

(9)焊接过程中采用双人对称施焊，小线能量多层多道焊，层间温度控制在200℃- 350℃范围内。焊缝单层增厚不超过焊条直径，焊道宽度不超过焊条直径的4倍。

(10)全部焊接完成后，先将焊件缓冷至160℃保温2h，然后缓慢升温至520℃、保温 1h(升降温速度≤55℃/h)。

(11)冷却至室温，进行超声检测，检查合格。

(12)采用电阻加热方式进行(760±5)℃×10h高温回火处理，升降温速度≤55℃/ h，降温至150℃以下可保温层内冷却至室温。

(13)磨光焊缝表面，利用超声检测、TOFD和相共振进行检测，未发现有缺陷波。

实施例3

一种现场安装P92钢的焊接工艺，步骤如下：

(1)P92钢管规格为Φ364×57mm，利用坡口机加工成“U”型坡口，如图4所示，钝边P ＝0.5-2mm，R＝5mm，坡口面角度α＝13°，根部间隙b＝2-5mm。内外壁距坡口边缘20mm长露出 金属光泽。

(2)为达到良好的充氩效果，焊接之前制作P92钢管专用充氩封闭装置，如图2所 示。

(3)对口后采用电阻加热方式进行预热，利用热电偶进行测温，预热温度为150℃- 200℃，保温时间为2h。

(4)内部充氩气保护，氩气纯度99.99％，氩气流量6L-20L/min；钨极型号为铈钨 极，规格为Φ2.5mm。

(5)手工钨极氩弧焊点焊固定，点焊数量三处，互成120°，尺寸≥20mm×3mm。

(6)焊接方法：手工钨极氩弧焊打底，焊条电弧焊填充和盖面。

(7)焊接材料：焊丝MTS616，规格Φ2.4mm；焊条为MTS616，规格为Φ2.5mm、Φ 3.2mm、Φ4mm；焊条按说明书要求在300-350℃温度下烘焙2h，放入80-110℃保温桶带入现 场随用随取。

(8)P92钢管焊接工艺参数如表3所示。

表3P92钢管焊接工艺参数

(9)焊接过程中采用双人对称施焊，小线能量多层多道焊，层间温度控制在150℃- 250℃范围内。

(10)全部焊接完成后，先将焊件缓冷至80-120℃保温2h。

(11)采用电阻加热方式进行高温回火处理，曲线如图5所示。升降温速度≤100℃/ h，降温至300℃以下可保温层内冷却至室温。

(12)割管取样后磨光焊缝表面，利用超声检测、TOFD和相共振方法进行检测，发现 有缺陷波

实施例4

对实施例1P92钢优选焊接工艺以及实施例3现场安装P92钢焊接工艺后割管取样， 在金相显微镜和扫描电镜下观察焊缝金属的组织。图6和图7是两个实施例P92钢焊缝金属 试样经研磨抛光后采用三氯化铁盐酸水溶液侵蚀后，在金相显微镜和扫描电镜下观察到的 焊缝金属的组织，P92钢焊缝金属为回火马氏体，在焊缝金属的结晶方向上，马氏体板条的 长度远大于其它方向上马氏体板条的长度。

试验证明现有现场焊接工艺无法达到避免P92钢焊缝金属微细裂纹产生，图7中为 部分P92钢焊缝微细裂纹照片，图7a为金相照片，图7b为扫描电镜照片，裂纹呈蠕虫状，长宽 比小尖端钝化，走向既有沿晶也有穿晶。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要 付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。