高合金鋼焊縫過燒

關于中、高合金鋼焊縫“過燒”的探討鄒德安朱家平（大唐淮南洛河發(fā)電廠安徽淮南232008）摘要：介紹了高合金鋼焊縫過燒的產(chǎn)生機理、形貌特征，常用防止方法易失敗的原因。通過理論分析和試驗、研究論證了采用藥芯焊絲和控制根層焊縫溫度兩種不充氬焊接方法的可行性。關鍵詞：高合金鋼焊縫過燒不充氬焊接近年來，發(fā)電機組的參數(shù)越來越高，尤其是超臨界和超超臨界發(fā)電機組的問世，熱力系統(tǒng)大量采用中、高合金鋼，如5Cr-1Mo5Cr-1MoVTiB、9Cr-1Mo、9Cr-1MoVNb、9Cr-2MoVN、12Cr-1MoV以及奧氏體鋼。這些鋼中由于含有較高的活潑元素鉻，在焊接時極易在焊縫根部產(chǎn)生“過燒”缺陷?！斑^燒”，又叫“燒枯”“燒焦”，與熱處理缺陷“過燒”不是同一概念，而是中、高合金鋼無熔渣保護焊接（TIG和氣焊，目前大力行業(yè)主要是TIG-鎢極氬弧焊）所特有的根部缺陷。對這種缺陷，在電力行業(yè)焊接規(guī)程（火力發(fā)電廠焊接技術規(guī)程DL/T869-2004）中只規(guī)定了“除非確有辦法防止焊道根層氧化或過燒，合金含量較高的耐熱鋼（含鉻量≥3%或合金總含量>5%）管子和管道對接焊接時內(nèi)壁必須充氬氣或混合氣體保護”的工藝措施，但未對缺陷定性、定量。而電力行業(yè)無損探傷標準（管道焊接接頭超聲波檢驗技術規(guī)程DL820-2002、鋼制承壓管道對接焊接接頭射線檢驗技術規(guī)范DL821-2002）中都沒有這種缺陷的名稱和控制范圍（超聲波檢驗技術目前檢驗這種缺陷有一定困難），因此各單位在工程中具體控制標準不一，甚至放棄控制。圖（1）為某機組X20CrMoV121主蒸汽管道焊縫，全部水平焊縫根部幾乎整圈“過燒”，而射線和超聲波檢驗均未報告。這臺機組的T91鍋爐過熱器管子焊縫也發(fā)現(xiàn)很多“合格”焊口存在“過燒”。此類問題帶有相當?shù)钠毡樾?。這就提出兩個問題：1，“過燒”是否允許存在？2，如何有效防止“過燒。1、“過燒”的形貌特征與產(chǎn)生1．1形貌特征“過燒”，一般產(chǎn)生在焊縫根部的打底層，呈泡沫狀，高度寬度超過正常焊縫金屬數(shù)倍。性質(zhì)與一般氣割后的產(chǎn)物—氧化渣差不多。在射線檢驗底片上形如菜花。圖（1）主蒸汽管道焊縫整圈“過燒”1．2產(chǎn)生機理“過燒”，產(chǎn)生的溫度為固相線附近，而不是熔點以上；產(chǎn)生的時間是在鎢極氬弧焊打底后的第一層填充焊道焊接過程中，而不是有些人認為的打底焊接過程中。在打底焊接過程中，氬氣可以通過熔孔和間隙流到背面，在熔化和結晶過程中是能夠保護焊縫和近縫區(qū)高溫金屬的。在第一層填充焊道焊接過程中，管內(nèi)氬氣或混合氣體泄漏，保護失敗時，當根層內(nèi)表面溫度達到固相線附近時，鉻開始迅速氧化，氧化所產(chǎn)生的熱量進而提高根層溫度使根層焊縫金屬達到燃點，根層焊縫金屬部分或全部燃燒成氧化渣，或流掉或粘在焊縫金屬上呈菜花狀。這一過程可以從焊縫背面看到，燃燒時火花飛濺。1.3對焊接接頭性能的影響根層焊縫金屬部分或全部燃燒成氧化渣，或流掉或粘在焊縫金屬上呈菜花狀，這些菜花狀的氧化渣已失去金屬性質(zhì)。顯而易見，它減小了焊接接頭的有效截面，即降低焊接接頭的強度?！斑^燒”嚴重時，未燒掉的根層焊縫金屬還會存在“過燒組織”或裂紋,[1]見圖（2）?！斑^燒組織”只有金相檢驗才能查出。而金相檢驗對于焊接接頭而言，只可以做表面金相檢驗，對于根層“過燒組織”或裂紋無能為力。根層焊縫金屬只能做無損探傷，而微小裂紋無損探傷檢出率是很低的。圖（2）“過燒”根層焊縫金相宏觀這些菜花狀的氧化渣粘在焊縫金屬上相當堅固，減小了管道的通流截面，對于大口徑管道影響不大；而對于小口徑管子,影響就不可忽視了。尤其是鍋爐受熱面管子，降低了介質(zhì)流量，即提高管壁溫度，亦即縮短使用壽命，甚至可能造成長期過熱爆管。無損探傷標準和焊接規(guī)程對“過燒”都不評判是值得商榷的。2．策略如上所述，產(chǎn)生“過燒”的根本條件有二：一是氧氣，二是溫度。能消除其中之一就解決問題了。管內(nèi)充氬或混合氣體是國內(nèi)目前通行的辦法，但是經(jīng)常失敗。這是因為采用“小室法”充氬用紙板作為堵板，當氬弧焊打底后予熱時使紙板干燥、收縮。水平固定焊時紙板傾斜，垂直固定焊時紙板則可能脫落，不知去向。小口徑管子采用“小室法”用衛(wèi)生紙堵或全系統(tǒng)充氬存在予熱后紙團收縮或充氬流量不足的可能。因此，充氬或混合氣體隔絕氧氣可靠性差。那么，還有熔渣隔絕氧氣和控制溫度兩個辦法可供考慮。2．1采用熔渣隔絕氧氣目前，藥皮焊絲(TIG背面自保護焊絲)或采用藥芯焊絲、實芯焊絲涂藥在國外早已流行。就是在焊絲內(nèi)或外面加少量熔渣，焊后熔渣熔化在焊縫外面形成一層薄薄的渣殼，有效地隔絕氧氣。這少量熔渣在焊接過程中既可有效地隔絕空氣又不妨礙焊工觀察熔池。我們采用河北電科院研制的YR91-1藥芯焊絲打底、CM9Cb電焊條蓋面焊接T91小口徑管子取得了滿意的結果。工藝性能、焊接接頭機械性能都較好，焊縫成型及保護良好，圖（3）為T91小口徑管子焊接工藝評定試樣。藥皮焊絲(TIG背面自保護焊絲)的性能與藥芯焊絲相仿，北京雙和鑫焊接材料廠已有產(chǎn)品。圖（3）T91小管子焊接工藝評定試樣實芯焊絲涂藥就是在實芯焊絲外面薄薄地涂上一層膏狀焊劑。此物現(xiàn)市場有售，叫做焊接保護劑，焊接效果與藥芯焊絲相近。2．2控制根層焊縫溫度控制根層焊縫溫度就是控制根層焊縫金屬內(nèi)表面溫度，使之達不到燃燒溫度。這主要通過以下幾個方面：2．2．1增加根層焊縫金屬厚度，一般要大于3mm；2．2．2降低予熱溫度，一般要不大于100℃2．2．3減小打底后第一層焊縫金屬厚度，這就要求焊絲或焊條直徑盡量小，一般要不大于2.5mm，且單層焊縫金屬厚不大于焊條直徑上述參數(shù)的具體數(shù)值要通過工藝試驗和工藝評定得到,工藝可靠性要通過焊工培訓實現(xiàn)。這一工藝對于剛度不大的小口徑管子已有不少單位用過；而剛度大的大口徑厚壁管子，通過仔細的工藝試驗和工藝評定亦應不成問題。內(nèi)壁產(chǎn)生的氧化皮對質(zhì)量和設備運行是沒有危害的。鍋爐受熱面管子可以通過鍋爐酸洗消除。結語1.“過燒”是有害缺陷,無損探傷標準和焊接規(guī)程對“過燒”都不評判是值得商榷的。2.“過燒”缺陷不能光靠管內(nèi)充氬解決,采用藥皮焊絲(TIG背面自保護焊絲)或藥芯焊絲、實芯焊絲涂藥簡便易行，應積極推廣。控制根層焊縫溫度，只要認真進行工藝試驗和工藝評定在大部分情況下是可行的。參考文獻[1]上海電力建設公司《管子焊口氬弧焊打底焊接工藝》1975.03作者簡介鄒德安,1948年11月生,淮南洛河發(fā)電廠金屬監(jiān)督專職工程師,焊接技術管理、金屬監(jiān)督，地址：安徽,淮南洛河發(fā)電廠，郵編：23200