SA-335 P91钢全位置窄间隙热丝TIG焊接工艺及接头性能研究

(哈尔滨锅炉厂有限责任公司 高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室，哈尔滨 150046)

0 引言

由于SA-335 P91钢具有优良的高温蠕变性能和抗高温腐蚀性能，被广泛应用于火力发电机组的集箱和管道中，表现出优异的综合性能[1-4]。经过不断的研究与探索，目前人们已对SA-335 P91钢焊接性、焊接工艺以及焊接接头的性能有了比较全面和深入的认识。然而，关于SA-335 P91钢窄间隙全位置焊接的研究却十分罕见。在电站锅炉制造或锅炉部件现场安装过程中，不可避免地存在一些需要进行全位置焊接的环缝，目前此类焊缝大多采用焊条电弧焊的方法进行焊接[5-8]。因此，针对这种需全位置焊接的SA-335 P91钢厚壁大口径管，采用全位置窄间隙热丝TIG焊接技术进行焊接工艺技术开发及接头性能研究具有重要意义。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验采用的SA-335 P91钢大口径管直径356 mm，壁厚55 mm，其化学成分与力学性能均满足ASME第Ⅱ卷A篇SA-335 P91的要求。焊接材料为ER90S-B9焊丝(符合ASME第Ⅱ卷C篇SFA-5.28要求)，焊丝直径∅1.2 mm，其具体化学成分见表1。焊接保护气体为纯氩。

表1 试验用ER90S-B9焊丝化学成分 %

1.2 方法与设备

采用全位置窄间隙热丝TIG焊接方法，将SA-335 P91钢大口径管进行水平固定装配，焊接过程中工件不转动，采用专用全位置窄间隙热丝TIG焊机，利用焊接机头沿固定轨道进行±360°的往复运动，实现整条环缝的多层单道全位置窄间隙焊接(见图1(a))。图1(b)为试验焊接接头所采用的窄间隙焊接坡口形式，为保证根部焊缝质量，装配时应严格控制错边量和装配间隙均不超过0.5 mm。

焊接过程时，每层只焊接1道，通过钨极的摇动保证坡口侧壁熔合。采用脉冲焊接技术，控制焊接热输入在较低的范围内。前两层焊接时，需在大口径管内部进行充氩气保护，防止焊接接头背面的焊缝金属氧化。另外，首层焊接时需实现单面焊双面成形；面层焊接时需增加焊枪摆动功能，保证最终焊缝成形满足要求。通过分区段工艺参数设定与修正，克服重力对焊接过程的不利影响，保证在整个圆周方向不同位置焊接时，均能获得理想的熔池状态和焊缝成形。具体焊接工艺参数见表2。

由于重力的作用，全位置焊接时，在SA-335 P91钢管圆周方向不同位置，焊接熔池的受力状态是不断变化的[9-10]。为了保证每一个位置均可获得优良的焊缝，将全位置环缝等分为16个区域，图2中仅示出顺时针方向，逆时针方向与其原理相同。根据不同位置的熔池受力状态和工艺焊接性，对焊接工艺参数进行适当修正，表3列出焊接时不同位置峰值电流、电弧电压和送丝速度的修正值。

(a)工件装配及焊接机头安装示意

(b)焊接坡口形式

表2 焊接工艺参数

图2 焊接分区示意

采用焊条电弧焊、埋弧焊等方法焊接SA-335 P91钢时，一般焊前预热温度需>200 ℃，而热丝TIG焊为低氢焊接方法，可适当降低焊前预热温度，试验中采用的最小预热温度为120 ℃，且焊后未进行后热直接将工件缓慢冷却至室温。为保证焊接接头获得最佳的综合性能，满足产品使用要求，焊后采用箱式电阻炉对焊件进行整体消应力热处理，热处理工艺曲线见图3。

在焊接完成24 h后和消应力热处理后，分别对焊接接头进行磁粉检测(MT)、超声波检测(UT)和射线检测(RT)，均未发现缺陷显示。

表3 焊接工艺参数修正值

图3 焊后消应力热处理工艺曲线

热处理后，按照NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》将焊件取样进行破坏性试验。采用WAW-1000D微机控制电液伺服万能试验机，进行拉伸和弯曲试验；采用NI300仪器化冲击试验机进行室温冲击试验，分别在距焊缝表面1 mm和15 mm位置各取一组焊缝和HAZ冲击试样；采用Axiovert 200 MAT蔡司金相显微镜对焊接接头进行微观组织分析。

2 结果与讨论

2.1 组织结构分析

图4为SA-335 P91钢全位置窄间隙热丝TIG焊接接头的断面照片，该接头共焊接34层，每层焊缝厚度约为1.6 mm，HAZ宽度为1.0～1.5 mm。可以看出，每层一道均匀分布的窄间隙焊缝轮廓，焊缝与两侧母材均熔合良好。焊接过程中钨极左右摇动，使焊接电弧可在坡口内移动并在两侧适当停顿，有效保证了坡口两侧的熔合。焊接完成后坡口最外侧间隙减少了2.8 mm，这是由于在钨极摇动过程中，电弧直接作用于坡口侧壁而导致坡口收缩量的增加。

图4 焊接接头断面宏观形貌

图5示出SA-335 P91钢全位置窄间隙热丝TIG焊接接头的显微组织。SA-335 P91钢母材、HAZ和焊缝的金相组织均为回火马氏体组织。各区组织均匀连续，马氏体形态细小，未发现明显的过热粗大组织。这与窄间隙热丝TIG焊接热输入小、熔池体积小、焊道金属厚度小、冷却速度快有利于获得细小的晶粒和组织有关。这种均匀细小的组织决定了焊接接头具有优良的综合力学性能。

(a)母材

(c)HAZ

2.2 力学性能分析

焊接接头的2个拉伸试验的抗拉强度分别为672 MPa和685 MPa，均高于SA-335 P91钢标准抗拉强度下限585 MPa，且拉伸试样的断裂均发生在母材部分，说明焊接接头的强度满足要求。弯曲试验的4个侧弯试样，在经历180°弯曲后，其受拉面上的焊缝、HAZ，以及试样棱角上任何方向均未产生开裂。

表4列出焊接接头的室温冲击试验结果，各个位置焊缝和HAZ的冲击吸收能量均高于NB/T 47014—2011标准规定的下限值34 J，焊接接头表现出优良的冲击韧性。在全位置窄间隙焊接时，每层只焊1道，在相对较短的时间内，后焊层对先焊层便有一次热作用，这种热作用起到了焊后消氢和改善组织的作用，虽然焊前适当降低了预热温度，焊接接头同样获得了优良的冲击性能[11]。另外，焊后消应力热处理时，足够的保温时间也有利于SA-335 P91钢焊接接头获得优良的冲击性能[12]。

表4 冲击试验结果

焊接接头硬度检测结果表明,母材、HAZ和焊缝区的硬度均在合理范围内，母材区的硬度相对较低，焊缝区的硬度相对较高，但各区域之间硬度差异并不大，测得接头范围内的最大硬度差为43(HV10)，焊接接头各区域性能呈现出较好一致性(见表5)。

表5 硬度检测结果(HV10)

3 结论

(1)全位置窄间隙热丝TIG工艺可用于SA-335 P91钢大口径管的环缝焊接，实现非平焊位置环缝的机械化焊接，获得无缺陷的焊接接头；

(2)采用全位置窄间隙热丝TIG工艺焊接SA-335 P91钢大口环缝，焊接接头的回火马氏体组织均匀细小，综合力学性能优良；

(3)采用全位置窄间隙热丝TIG工艺焊接SA-335 P91钢大口径管，分区域进行参数修正设置，可保证焊缝质量和性能。