P280GH與A335P22超強匹配焊材焊后熱處理工藝

張學鋒，郭國均

(浙江省火電建設公司，浙江杭州 310016）

0 前言

某電廠主蒸汽管道旁路安裝中有P280GH和A335P22異種鋼焊縫，規格為φ114 mm×14 mm、φ406 mm×23.83 mm。焊接前對這兩種規格的材料進行焊接工藝評定試驗，由于業主要求，焊接材料選用的是高匹配，即焊絲為TGS-2CML、焊條為R407。在試驗過程中發現，選擇高匹配焊材時，薄壁管道和厚壁管道在焊后選擇熱處理規范時是可以不一樣的。

1 可焊性分析

P280GH鋼屬于AⅡ類碳素鋼，A335P22鋼屬于BⅠ類珠光體鋼，具體化學成分如表1所示。根據碳當量公式CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15（單位：%）計算可知，P280GH鋼的碳當量值為0.39%，碳當量小于0.4%屬于可焊性好的鋼材，不需采取其他措施；A335P22鋼的碳當量值為0.8%，大于0.6%屬于可焊性差的鋼材，鋼材易于淬硬，焊接前需預熱，焊后需進行焊后熱處理措施。

焊接工藝評定執行的規范是DL/T 868-2004[1]標準，規范推薦的工藝[2]是焊接材材選用低匹配（P280GH側），預熱溫度選高匹配（P22側），焊后熱處理溫度選低匹配（P280GH側），由于業主要求因此實際選用的焊材為高匹配（P22側）。

由于焊接材料選用的是高匹配TGS-2CML、R407，它的可焊性相對低匹配的焊接材料而言要差得多，且與執行的標準不一致，因此在試驗過程中存在著一定的變數，焊接材料化學成分分析如表1所示。

表1 焊接材料化學成分%

2 焊接工藝

（1）采用GTAW+SMAW焊接工藝。

（2）規格為φ114 mm×14 mm焊縫坡口采用單V型，φ406 mm×23.83 mm焊縫坡口采用雙V型。

（3）焊前預熱：預熱溫度200℃~350℃；層間溫度不大于350℃。

（4）采用多層多道焊，焊層厚度不大于焊條直徑加2 mm，焊道擺動寬度不大于焊條直徑的5倍。

（5）焊接工藝參數如表2所示。

表2 焊接工藝參數

3 焊接試驗過程

試驗分兩個階段實施，第一階段完成φ114mm×14 mm規格焊接工藝評定，試驗一次成功，焊后熱處理溫度選擇為620℃～650℃，過程實測為635℃～644℃，恒溫1 h；第二階段完成φ406mm×23.83 mm規格焊接工藝評定。試驗總共進行了三次，前兩次不合格，最后一次合格，熱處理溫度和時間如表3所示。

4.1 第一階段

φ114mm×14 mm規格焊接工藝評定采用規范推薦的熱處理工藝參數，即焊后熱處理溫度620℃～650℃，恒溫1 h，試驗數據符合標準的要求，試驗數據詳見表4、表5。

4.2 第二階段

（1）由于第一階段試驗一次成功，因此φ406mm×23.83mm規格焊接工藝評定試驗時同樣也采用了規范要求的熱處理工藝，但實際試驗結果很不理想，試驗數據詳見表4、表5。主要數據顯示是彎曲試驗、硬度試驗和沖擊試驗都不合格，其中彎曲試驗為側彎，試驗結果是根部開裂，硬度數據超標，沖擊值小于27J/cm2，都不合格。

（2）基于第一階段的試驗數據，經分析，認為φ406 mm×23.83 mm焊接工藝評定第一次試驗失敗原因是由于焊縫硬度偏高引起的，高溫回火不徹底。分析整個焊后熱處理實施過程，原因可能有兩方面：一是焊后熱處理恒溫時間不夠，溫度不均勻，高溫回火不徹底；二是熱處理材料包扎不到位，管內一側未封閉，導致焊縫根部散熱太快。因此修改了焊

表3 熱處理工藝參數

4 試驗過程分析

表4 沖擊試驗和硬度試驗數據

表5 拉伸試驗

后熱處理的恒溫時間，由1h增加1.5h，并加強了熱處理的包扎和過程的監控，再進行第二次試驗。

（3）φ406mm×23.83mm焊接工藝評定第二次試驗結果還是不理想，結果是硬度值略微偏高，沖擊值更低。是否還是熱處理回火不徹底？于是重新截取試塊在熱處理爐內又進行了本次試驗的二次焊后熱處理，完成后再次試驗顯示硬度值趨于合格，但沖擊值幾乎沒有變化，硬度和沖擊值如表4所示。

（4）通過這兩次試驗，分析認為試驗不合格的原因不是由于焊后熱處理高溫回火不徹底引起的，而是焊后熱處理溫度選擇不當導致的。原因有二：一是秦山項目的焊接材料都經過了進庫前的焊接復核堆焊試驗，焊后熱處理溫度選擇為720℃～750℃，經試樣沖擊試驗的表明焊接材料是合格的；二是秦山二期焊接材料選擇高匹配依據是ASME規范，ASME規范B31.1動力管道篇132.1 B規定，當兩種不同的P-No材料的零件焊接連接時，應該按要求較高焊后熱處理溫度的材料的規定進行處理，且推薦溫度為700℃～760℃[3]。因此φ406 mm×23.83mm工藝評定試驗進行了第三次試驗，焊后熱處理溫度選擇為高匹配，考慮到P280GH的AC1線為725℃，最終選擇焊后熱處理溫度為700℃～715℃，試驗結果合格。

5 試驗結果分析

5.1 拉伸試驗

拉伸試驗結果如表5所示，每組試驗的抗拉強度都大于母材標準強度413 MPa，拉伸試驗合格。

5.2 彎曲試驗

φ114 mm×14 mm焊接工藝評定彎曲試樣采用的是正彎和背彎，φ406 mm×23.83mm焊接工藝評定彎曲試樣采用的是全焊縫側彎，從試驗結果看除第二組不合格外，其余試樣都合格。不合格試樣原因分析是由于焊縫和單側熱影響區硬度偏高，與P280GH側的硬度相關太大，導致彎曲過程中一側太軟一側太硬，無法實現焊縫中心彎曲，不合格試樣如圖1所示。

圖1 彎曲試樣

5.3 金相試驗

對每一組試樣都進行宏觀金相分析和微觀金相分析，組織都符合規范的要求。

5.4 沖擊試驗和硬度試驗

沖擊試驗和硬度試驗數值見表4，其中φ406mm×23.83 mm焊縫第一組和第二組不合格。

5.5 綜合分析

通過四組試件試驗表明，P280GH與A335P22采用高匹配焊材焊接時，主要問題是沖擊韌性和硬度不符合規范要求，它與焊后熱處理溫度存在較大的關系。

（1）薄壁管焊后熱處理采用低匹配規范，由于管壁薄受熱均勻，恒溫狀態時達到焊縫溫度均勻的時間短，容易實現 品的合格，證明了DL/T869-2004規范中5.4.4免除條款的正確性，即在氬弧焊打底、采用低氫型焊條、焊前預熱、焊后緩冷的A335P22類材料6 mm以下焊縫可免除焊后熱處理[2]。

（2）異種鋼焊接一方面應考慮它的可焊性，另一方面還應考慮焊前預熱和焊后熱處理規范。厚壁管由于壁厚的原因，管壁的溫度是通過熱輻射來達到最終的均勻，會存在溫度不均勻和恒溫時間有長有短，而且高溫回火也不能通過加長恒溫時間來彌補溫度不夠這一現實。因此厚壁管異種鋼焊接焊后熱處理溫度應焊接材料為依據，焊接材料靠近哪一側就以哪一側為準。

（3）增加焊后熱處理時間可以降低焊縫硬度，但并不能提高沖擊韌性；重做焊后熱處理可以降低焊縫硬度，但不能改變沖擊韌性。

6 結論

（1）異種鋼焊接時，焊后熱處理溫度盡可能選擇與焊接材料一致，特別是厚壁管焊縫；焊接材料的選擇應與執行的焊接標準一致。

（2）考慮到材料的AC1線，當兩種母材合金含量相差較大時，盡可能不選擇高匹配的焊接材料，如選擇高匹配時焊后熱處理溫度則應進行綜合考慮。

（3）重新焊后熱處理可以降低焊縫的硬度，但不能改善焊縫的沖擊韌性。

：

[1]DL/T 868-2004，焊接工藝評定規程[S].

[2]DL/T 869-2004，火力發電廠焊接技術規程[S].

[3]ASME B31.1-2004，動力管道[S].