P92钢药芯焊丝电弧焊工艺研究

张丰收，李俊峰，赵永远

河南华电金源管道有限公司 河南郑州 451162

1 序言

随着现代火力发电机组向大容量、高参数发展，对管道材料的使用性能提出了更高的要求。从保证焊接质量而言，无论是管材壁厚的增加还是高性能材料的使用，均增加了一定的焊接难度。为保证火力发电厂的正常运行和建设的要求，不仅要求高质量的焊接接头，还要求有高的焊接效率。

P92钢是在P91钢的基础上加入1.5%~2.0%的W，降低0.5%的Mo，同时增加少量B的新型耐热钢。P92钢在600℃的许用应力比P91钢高30%以上，且抗热疲劳性、热传导系数和膨胀系数远优于奥氏体不锈钢，抗腐蚀性和抗氧化性能也优于其他9%Cr的铁素体耐热钢[1]。其广泛应用于我国超超临界机组的主蒸汽管道或高温再热蒸汽管道[2]。

药芯焊丝电弧焊是属于气体保护焊的一种，国外20世纪80年代就开始了广泛应用，国内多应用于石油管道、船厂等工程结构件的焊接，并取得了良好的效果[3]，在电力行业应用较少。目前，国内对P92钢药芯焊丝电弧焊研究极少，本文以P92钢为基础材料，研究P92耐热钢药芯焊丝电弧焊接工艺，在保证焊接质量的前提下，进一步提高焊接的自动化水平和焊接效率，减少对焊接工人的依赖，有助于P92钢的药芯焊丝电弧焊应用推广。

2 试验材料和方法

本试验使用300mm×300mm，厚度为25mm的SA-335 P92钢板，坡口为单V形，焊接试验采用钨极氩弧焊打底+药芯焊丝电弧焊填充的焊接方法，药芯焊丝电弧焊使用80%Ar+20%CO2混合气体保护，氩弧焊选用奥钢联伯合乐Thermanit MTS616，ϕ2.4mm焊丝，药芯焊丝电弧焊选用奥钢联伯合乐P92 Ti-FD，ϕ1.2mm焊丝，焊材的主要化学成分见表1。

（1）焊接工艺 焊材牌号、规格和施焊参数见表2。

由于试板厚度为25mm，焊道设计为氩弧焊打底2层，每层1道，熔敷厚度约4mm，药芯焊丝电弧焊7层，每层1~4道，熔敷厚度约21mm。焊接焊道顺序如图1所示。

表1 试验用P92钢与焊丝主要化学成分（质量分数） （%）

表2 P92钢药芯焊丝电弧焊焊接参数

图1 试板焊接焊道顺序

（2）焊接注意事项 P92钢为裂纹敏感型材料，药芯焊丝电弧焊的预热和伴热过程中，需严格控制焊接工艺温度，即不能低于预热的下线温度150℃，层间温度也不能高于伴热上线温度300℃[4]。

药芯焊丝电弧焊时，主要的工艺参数为电弧电压和送丝速度，电弧电压应保持25~32V，送丝速度应与焊丝的熔化速度相匹配。

（3）焊接＋热处理工艺 坡口预热温度为150～200℃后进行氩弧焊打底，打底焊完成后升温至200～250℃，然后进行药芯焊丝电弧焊，焊接完毕冷却至80～100℃完成马氏体转变，最后进行热处理，加热宽度为焊缝中心两侧各200mm，保温宽度为焊缝中心两侧各500mm[5]。回火温度为760℃，保温4h，升、降温速度≤150℃/h，降温时，冷却至300℃以下后空冷。药芯焊丝电弧焊焊接及热处理工艺如图2所示。

图2 药芯焊丝电弧焊焊接及热处理工艺

3 试验结果

（1）焊接外观 经过焊缝表面外观检查，焊道清晰均匀，飞溅少，焊缝成形质量良好，外观质量受焊工个人技能水平影响较小；焊缝表面无咬边、气孔、夹渣等缺陷，符合药芯焊丝电弧焊焊缝特点[6]，焊缝外观质量如图3所示。

图3 焊缝外观质量

（2）无损检测 依据NB/T 47013—2015《承压设备无损检测》标准对药芯焊丝电弧焊接头进行RT、UT和MT检测，焊缝质量合格，焊缝内部无夹渣、气孔、裂纹等超标缺陷，焊缝质量均满足标准要求。

（3）力学性能 依据NB/T 47014—2015《承压设备焊接工艺评定》标准对药芯焊丝电弧焊接头进行拉伸、侧弯、冲击、硬度试验。焊缝接头的抗拉强度为685MPa、690MPa，高于标准值620MPa要求，断裂位置为焊缝的热影响区；焊缝侧弯试样无裂纹；冲击吸收能量KV2为178J、190J、198J，冲击吸收能量远高于P92钢的埋弧焊和焊条电弧焊；使用布氏硬度计检测焊缝硬度，硬度值为198HBW。焊缝常温力学性能指标均满足标准要求，详见表3。

表3 药芯焊丝电弧焊焊缝力学性能

（4）显微组织 焊缝宏观无缺陷，焊缝与母材熔合较好，显微组织为典型的回火马氏体；热影响区显微组织晶粒细小，组织长大不明显。焊缝的显微组织如图4所示。

图4 药芯焊丝电弧焊焊缝显微组织

4 讨论分析

（1）焊接性能 在P92钢使用药芯焊丝电弧焊时，选用上述焊接参数和热处理参数，可以得到外观优良，内部质量合格，力学性能优良等各项指标合格的焊缝。

（2）焊接缺陷原因和措施 在焊接试验前期，焊缝截面发现有夹渣、气孔等缺陷，经过综合分析缺陷形成的原因，调整焊接参数，使缺陷消除。

1）夹渣缺陷。原因是焊接过程中熔渣未有效溢出熔池，导致层间夹渣尺寸较大。改进措施：①调整焊接参数，加大焊接电流和电弧电压，电流由20~28A调整至25~32A。②每层焊接厚度不应太厚，层间厚度不宜大于3mm。

2）气孔。原因是保护气体保护不完全及焊丝潮湿导致焊道中产生气孔缺陷。改进措施：①增大混合保护气体流量，保证气体流量≥20L/min。②焊丝在使用之前烘干，焊接过程中需一次焊接完成。

3）根部裂纹。原因是焊丝直径小，焊缝根部间隙过小时容易产生焊接裂纹。改进措施：选用3～4mm焊接间隙。

（3）焊接效益 采用药芯焊丝电弧焊时，焊接电流主要流经金属外壳部分，其电流密度比实芯焊丝大，故其熔敷效率明显高于实芯焊丝[7]。经焊接当量核算，1kg的P92钢熔敷金属在使用药芯焊丝电弧焊时，需要1.4kg的药芯焊丝，当使用焊条电弧焊时，则需要使用1.8kg焊条，焊材节约22.2%。

以660MW火力发电机组P92钢主蒸汽、再热热段管道卡块为例，单台机卡块需要熔敷金属226kg，使用药芯电弧焊时，需要316kg药芯焊丝，使用焊条电弧焊时，需要406kg焊条，整体节约焊材22.2%。

（4）焊接效率 药芯焊丝电弧焊操作性好，熔滴以滴状过渡或射流过渡，不发生短路过渡，飞溅很少，焊接难度小，焊接效率高，且焊缝成形和外观良好[6]。药芯焊丝电弧焊和焊条电弧焊焊接效率对比见表4。

表4 药芯焊丝电弧焊和焊条电弧焊焊接效率对比

同样，以660MW火力发电机组为例，焊工焊接时，使用药芯焊丝电弧焊的焊接时间为32.25h，使用焊条电弧焊的焊接时间则需64.5h，时间节约50%，焊接工效大幅提高。

5 结束语

1）当P92钢采用药芯焊丝电弧焊时，选用合适的焊接参数，焊缝的外观质量、无损检测及焊缝的力学性能和显微组织均能达到标准要求。

2）当P92钢采用药芯焊丝电弧焊时，加大焊接电流和电弧电压，减小焊接厚度，可避免夹渣缺陷；增大混合保护气体流量≥20L/min和保证焊丝烘干，可消除气孔的产生；由于焊丝直径小，选用3～4mm焊接间隙，可减少根部裂纹的产生。

3）药芯焊丝电弧焊从焊接效益和焊接效率上，均比焊条电弧焊具有明显优点。660MW火电机组P92钢卡块焊接，药芯焊丝电弧焊与焊条电弧焊比较，焊材使用量节约22.2%，焊接效率提高一倍。