耐熱鋼A335-P11管道實芯焊絲熔化極MAG氣體保護焊要點

中石化第十建設有限公司 （山東淄博 255000） 唐元生

1.概述

近幾年公司為了項目施工降本增效，大力倡導和推廣熔化極氣體保護焊接工藝，對此我們結合項目焊接施工需求，決定采用實芯焊絲熔化極MAG焊進行A335－P11（以下簡稱P11）材料的焊接工藝評定，以滿足現場的焊接施工需求。

耐熱鋼P11近似于國內材料珠光體耐熱鋼15CrMo，我公司采用的鎢極氬弧焊打底+焊條電弧焊填充、蓋面焊接工藝非常成熟，但采用實芯焊絲熔化極MAG焊接P11等耐熱鋼在公司范圍內應用較少，經驗不足。

測試焊接過程中，在P11管材實芯焊絲熔化極MAG焊接工藝評定試驗時，彎曲、拉伸試樣出現了裂紋。對此，我們對P11材質、焊接材料、焊接工藝等進行了分析和反復試驗，找到了出現試驗裂紋的原因，并采取有效措施，保證了焊接工藝評定合格，并給現場焊接施工提供了寶貴經驗，避免類似質量問題的重復出現。

2.裂紋分析

（1）裂紋形狀 裂紋出現在工藝評定焊接接頭彎曲試樣、拉伸試樣的焊縫內部和熔合線附近（見圖1），熱影響區沒有出現彎曲裂紋。大部分呈縱向撕裂，造成焊接工藝評定不合格。經用檢測尺測量，有四處裂紋長度大于5mm，深度達到5mm，放大鏡觀察裂紋內部，沒有金屬晶間撕裂痕跡，但有污物和未熔合跡象。我們調出試件RT拍片，看出焊縫內部有明顯的條狀不規則缺陷，疑似夾渣、未熔合。

圖1 P11材料實芯焊絲熔化極MAG焊接工藝評定試件

（2）原因分析 P11材料管道在高溫下具有較高的熱強性（σb≥440MPa）和抗氧化性，并具有一定的抗氫腐蝕能力。由于鋼中有一定含量的Cr、C和其他合金元素，所以鋼材的淬硬傾向較明顯。根據經驗：當Ceq＞0.4%時，焊接接頭淬硬傾向大，可能出現冷裂紋，而P11鋼的Ceq值約為0.545%，故淬硬傾向大，焊接性較差。

熔化極MAG焊絲采用國內江蘇某公司生產的耐熱鋼實芯焊絲牌號MIG—1CM，焊絲化學成分及力學性能如表1所示。從表1中看出，管材、焊材的成分基本相同，力學性能近似，只要嚴格按照焊接工藝規程施焊，應該不是產生裂紋主要原因。

表1 P11管材、焊絲化學成分及力學性能（摘自SHT3520）

通過焊接工藝評定焊接時的監控，焊工嚴格遵守指定的焊前預熱、層間溫度、焊接電流、電弧電壓等施焊工藝規程，焊后熱處理是在正規檢測公司進行爐內整體675℃×2h熱處理，也不是裂紋產生主要原因。

后經認真觀察和分析，國內某公司生產的耐熱鋼牌號MIG—1CM焊絲，按照其說明書，熔化極MAG焊接時保護氣體配比為（95%～98%）Ar+5%CO2。由于MIG—1CM實芯焊絲有一定含量的Cr等元素，本身熔池的熔深較淺，所以焊接時采用95%以上氬氣作為保護氣，易造成熔池表面張力增大，導致熔深更淺；同時電弧飛濺較大，容易聚集在熔池前方，稍不注意，就會造成夾渣、未熔合缺陷。

（3）裂紋缺陷的鑒定 最終得出初步結論：造成試件拉伸、彎曲試樣裂紋的原因是焊接保護氣配比不合理（主要為氬氣占保護氣體比例95%以上），造成熔池表面張力較大，導致熔深較淺，同時造成的飛濺堆積在熔池前方，焊工焊接時稍不注意，造成焊縫內出現夾渣、未熔合缺陷，最終在拉伸、彎曲試驗時出現超標裂紋。

3.焊接材料的優化選定

通過缺陷分析，我們首先對MIG—1CM實芯焊絲進行了優化選擇。焊材選用時對比化學成分和力學性能和母材相匹配，同時結合出現焊接工藝評定試件開裂的原因，在采購焊絲時，校對了焊絲說明書保護氣體氬氣、CO2氣的配比。

從熔化極的氣體保護原理分析，氬氣作為碳鋼、低合金鋼熔化極氣體保護焊時，會造成熔池表面張力大、熔深淺等，氬氣中加入一定的O2或CO2可提高電弧的穩定性，降低熔池的表面張力，使熔池液態金屬流動性會得到改善，增強熔池表面的潤濕性，減少咬邊缺陷。但如果保護氣中的CO2過多，焊接過程中CO2氣體高溫下分解CO+O，燒損材料里面的合金成分，也會造成飛濺較大。由于制作工藝的原因，國內的耐熱鋼實芯焊絲基本都采用氣體比例為95% Ar+（2%～5%） CO2。

近幾年，國內焊接材料制作工藝逐漸成熟，有效地克服了焊接過程中CO2氣體高溫下分解對焊縫化學成分的影響。經過調研，國內錦州某公司生產的φ1.2mmMIG—1CM 耐熱鋼焊絲，其推薦保護氣比例為80%Ar+20%CO2。其化學成分及力學性能如表2所示。由于保護氣體中CO2氣體比例增加到20%，可有效改善熔池表面張力大造成的熔深較淺的弊端，避免了因熔深淺而造成的未熔合和夾渣，所以可作為焊接工藝評定適用焊材。

表2 國內錦州某公司產焊絲MIG—1CM化學成分及力學性能（摘自焊材說明書）

4.焊接工藝實施

（1）焊前準備 焊接管道規格為φ325mm×31mm，焊縫選擇管道5G位置，工藝為TIG打底焊，MAG焊填充蓋面。焊接采用標準60°坡口形式，將工件坡口及內外壁兩側各50mm范圍的鐵銹、水、油污等清理干凈。為保證管口內部成形美觀，管口組對采用“搭橋”方式點固，即采用四塊鐵塊對管口均勻分布固定點焊，這樣點固可以減少焊接接頭，降低焊縫間隙收縮量，并保證焊縫內部質量。點固時注意焊縫間隙，保持在3～4mm，如果間隙太小，容易出現未熔合、未焊透和夾渣等缺陷；間隙太大，則容易燒穿，出現焊肉下墜和氣孔缺陷。正式打底焊接時，橋接點固點采用砂輪機磨掉，點固示意如圖2所示。

圖2 焊縫采用鐵塊搭橋組對

（2）焊接過程 焊接前對焊工進行認真交底，分析焊接缺陷產生的原因及避免措施，并要求焊工嚴格按照工藝卡進行操作。按照工藝要求焊縫預熱溫度150℃，焊接時層溫≥150℃，為防止中斷焊接而引起試件的降溫，施焊時不能停頓，由兩名焊工交替操作。第一層采用手工鎢極氬弧焊打底，為避免仰焊處焊縫背面產生凹陷，送絲時采用內填絲法，即焊絲通過對口間隙從管內送入。

熔化極MAG焊接時，焊槍角度保持垂直熔池90°，要根據管子軸線位置隨時調整，確保氣體對熔池有效保護，避免焊縫產生氣孔、夾渣等缺陷。干伸長度保持在10～15mm，不宜太長，否則會由于氣體保護不良出現氣孔。接頭必須打磨處理，焊接接頭時宜在修磨斜坡前方打火，等電弧穩定后，拉到坡口處正式焊接。

整個坡口全部焊完后，立即用硅酸纖維氈將坡口包裹起來，以降低冷卻速度，防止產生馬氏體組織。熱處理的工藝為：升溫速度為200℃/h，升到（675±10）℃保溫120min，降溫速度100℃/h，降到300℃后空冷。其焊接參數如表3所示。

表3 參考焊接參數

5.焊接效果

試件完成焊接后，按JB4730《壓力容器無損檢測》標準進行RT拍片、100%的超聲波探傷檢測，焊縫為合格Ⅰ級。沒有再出現未熔合、夾渣等缺陷，從基礎上排除了因焊接缺陷導致的力學性能不合格。

按NBT47014《承壓設備焊接工藝評定》標準進行焊接工藝評定試驗。彎曲、拉伸試驗全部合格，沒有再次出現超標裂紋等。硬度指標為焊縫179HBW、熱影響區161HBW、母材152HBW， 拉伸試樣全部斷在母材，說明焊縫的抗拉強度高于母材；彎曲試驗全部合格，說明焊縫的塑性較好，焊接工藝評定試驗合格。

6.結語

由于P11材料管道為含有Cr、Mo元素的耐熱鋼，焊接時要考慮高溫熔池對合金元素的燒損，所以一般選擇富氬MAG氣體保護焊接。P11材料管道采用實芯焊絲熔化極MAG焊接在公司應用較少，通過本次焊接工藝評定暴露出的焊縫未熔合、未焊透缺陷，經過原因分析，找到了缺陷產生原因，提出了避免此類缺陷產生的措施，為此項焊接技術今后在公司的推廣應用打好了基礎。