耐热钢A335-P11管道实芯焊丝熔化极MAG气体保护焊要点

中石化第十建设有限公司 （山东淄博 255000） 唐元生

1.概述

近几年公司为了项目施工降本增效，大力倡导和推广熔化极气体保护焊接工艺，对此我们结合项目焊接施工需求，决定采用实芯焊丝熔化极MAG焊进行A335－P11（以下简称P11）材料的焊接工艺评定，以满足现场的焊接施工需求。

耐热钢P11近似于国内材料珠光体耐热钢15CrMo，我公司采用的钨极氩弧焊打底+焊条电弧焊填充、盖面焊接工艺非常成熟，但采用实芯焊丝熔化极MAG焊接P11等耐热钢在公司范围内应用较少，经验不足。

测试焊接过程中，在P11管材实芯焊丝熔化极MAG焊接工艺评定试验时，弯曲、拉伸试样出现了裂纹。对此，我们对P11材质、焊接材料、焊接工艺等进行了分析和反复试验，找到了出现试验裂纹的原因，并采取有效措施，保证了焊接工艺评定合格，并给现场焊接施工提供了宝贵经验，避免类似质量问题的重复出现。

2.裂纹分析

（1）裂纹形状 裂纹出现在工艺评定焊接接头弯曲试样、拉伸试样的焊缝内部和熔合线附近（见图1），热影响区没有出现弯曲裂纹。大部分呈纵向撕裂，造成焊接工艺评定不合格。经用检测尺测量，有四处裂纹长度大于5mm，深度达到5mm，放大镜观察裂纹内部，没有金属晶间撕裂痕迹，但有污物和未熔合迹象。我们调出试件RT拍片，看出焊缝内部有明显的条状不规则缺陷，疑似夹渣、未熔合。

图1 P11材料实芯焊丝熔化极MAG焊接工艺评定试件

（2）原因分析 P11材料管道在高温下具有较高的热强性（σb≥440MPa）和抗氧化性，并具有一定的抗氢腐蚀能力。由于钢中有一定含量的Cr、C和其他合金元素，所以钢材的淬硬倾向较明显。根据经验：当Ceq＞0.4%时，焊接接头淬硬倾向大，可能出现冷裂纹，而P11钢的Ceq值约为0.545%，故淬硬倾向大，焊接性较差。

熔化极MAG焊丝采用国内江苏某公司生产的耐热钢实芯焊丝牌号MIG—1CM，焊丝化学成分及力学性能如表1所示。从表1中看出，管材、焊材的成分基本相同，力学性能近似，只要严格按照焊接工艺规程施焊，应该不是产生裂纹主要原因。

表1 P11管材、焊丝化学成分及力学性能（摘自SHT3520）

通过焊接工艺评定焊接时的监控，焊工严格遵守指定的焊前预热、层间温度、焊接电流、电弧电压等施焊工艺规程，焊后热处理是在正规检测公司进行炉内整体675℃×2h热处理，也不是裂纹产生主要原因。

后经认真观察和分析，国内某公司生产的耐热钢牌号MIG—1CM焊丝，按照其说明书，熔化极MAG焊接时保护气体配比为（95%～98%）Ar+5%CO2。由于MIG—1CM实芯焊丝有一定含量的Cr等元素，本身熔池的熔深较浅，所以焊接时采用95%以上氩气作为保护气，易造成熔池表面张力增大，导致熔深更浅；同时电弧飞溅较大，容易聚集在熔池前方，稍不注意，就会造成夹渣、未熔合缺陷。

（3）裂纹缺陷的鉴定 最终得出初步结论：造成试件拉伸、弯曲试样裂纹的原因是焊接保护气配比不合理（主要为氩气占保护气体比例95%以上），造成熔池表面张力较大，导致熔深较浅，同时造成的飞溅堆积在熔池前方，焊工焊接时稍不注意，造成焊缝内出现夹渣、未熔合缺陷，最终在拉伸、弯曲试验时出现超标裂纹。

3.焊接材料的优化选定

通过缺陷分析，我们首先对MIG—1CM实芯焊丝进行了优化选择。焊材选用时对比化学成分和力学性能和母材相匹配，同时结合出现焊接工艺评定试件开裂的原因，在采购焊丝时，校对了焊丝说明书保护气体氩气、CO2气的配比。

从熔化极的气体保护原理分析，氩气作为碳钢、低合金钢熔化极气体保护焊时，会造成熔池表面张力大、熔深浅等，氩气中加入一定的O2或CO2可提高电弧的稳定性，降低熔池的表面张力，使熔池液态金属流动性会得到改善，增强熔池表面的润湿性，减少咬边缺陷。但如果保护气中的CO2过多，焊接过程中CO2气体高温下分解CO+O，烧损材料里面的合金成分，也会造成飞溅较大。由于制作工艺的原因，国内的耐热钢实芯焊丝基本都采用气体比例为95% Ar+（2%～5%） CO2。

近几年，国内焊接材料制作工艺逐渐成熟，有效地克服了焊接过程中CO2气体高温下分解对焊缝化学成分的影响。经过调研，国内锦州某公司生产的φ1.2mmMIG—1CM 耐热钢焊丝，其推荐保护气比例为80%Ar+20%CO2。其化学成分及力学性能如表2所示。由于保护气体中CO2气体比例增加到20%，可有效改善熔池表面张力大造成的熔深较浅的弊端，避免了因熔深浅而造成的未熔合和夹渣，所以可作为焊接工艺评定适用焊材。

表2 国内锦州某公司产焊丝MIG—1CM化学成分及力学性能（摘自焊材说明书）

4.焊接工艺实施

（1）焊前准备 焊接管道规格为φ325mm×31mm，焊缝选择管道5G位置，工艺为TIG打底焊，MAG焊填充盖面。焊接采用标准60°坡口形式，将工件坡口及内外壁两侧各50mm范围的铁锈、水、油污等清理干净。为保证管口内部成形美观，管口组对采用“搭桥”方式点固，即采用四块铁块对管口均匀分布固定点焊，这样点固可以减少焊接接头，降低焊缝间隙收缩量，并保证焊缝内部质量。点固时注意焊缝间隙，保持在3～4mm，如果间隙太小，容易出现未熔合、未焊透和夹渣等缺陷；间隙太大，则容易烧穿，出现焊肉下坠和气孔缺陷。正式打底焊接时，桥接点固点采用砂轮机磨掉，点固示意如图2所示。

图2 焊缝采用铁块搭桥组对

（2）焊接过程 焊接前对焊工进行认真交底，分析焊接缺陷产生的原因及避免措施，并要求焊工严格按照工艺卡进行操作。按照工艺要求焊缝预热温度150℃，焊接时层温≥150℃，为防止中断焊接而引起试件的降温，施焊时不能停顿，由两名焊工交替操作。第一层采用手工钨极氩弧焊打底，为避免仰焊处焊缝背面产生凹陷，送丝时采用内填丝法，即焊丝通过对口间隙从管内送入。

熔化极MAG焊接时，焊枪角度保持垂直熔池90°，要根据管子轴线位置随时调整，确保气体对熔池有效保护，避免焊缝产生气孔、夹渣等缺陷。干伸长度保持在10～15mm，不宜太长，否则会由于气体保护不良出现气孔。接头必须打磨处理，焊接接头时宜在修磨斜坡前方打火，等电弧稳定后，拉到坡口处正式焊接。

整个坡口全部焊完后，立即用硅酸纤维毡将坡口包裹起来，以降低冷却速度，防止产生马氏体组织。热处理的工艺为：升温速度为200℃/h，升到（675±10）℃保温120min，降温速度100℃/h，降到300℃后空冷。其焊接参数如表3所示。

表3 参考焊接参数

5.焊接效果

试件完成焊接后，按JB4730《压力容器无损检测》标准进行RT拍片、100%的超声波探伤检测，焊缝为合格Ⅰ级。没有再出现未熔合、夹渣等缺陷，从基础上排除了因焊接缺陷导致的力学性能不合格。

按NBT47014《承压设备焊接工艺评定》标准进行焊接工艺评定试验。弯曲、拉伸试验全部合格，没有再次出现超标裂纹等。硬度指标为焊缝179HBW、热影响区161HBW、母材152HBW， 拉伸试样全部断在母材，说明焊缝的抗拉强度高于母材；弯曲试验全部合格，说明焊缝的塑性较好，焊接工艺评定试验合格。

6.结语

由于P11材料管道为含有Cr、Mo元素的耐热钢，焊接时要考虑高温熔池对合金元素的烧损，所以一般选择富氩MAG气体保护焊接。P11材料管道采用实芯焊丝熔化极MAG焊接在公司应用较少，通过本次焊接工艺评定暴露出的焊缝未熔合、未焊透缺陷，经过原因分析，找到了缺陷产生原因，提出了避免此类缺陷产生的措施，为此项焊接技术今后在公司的推广应用打好了基础。