SA335-P91与P22异种钢焊接工艺研究

SA335-P91与P22异种钢焊接工艺研究
柳越;胡林;王娟
【摘要】针对SA335-P91及P22的不同焊接特性,通过焊接性能分析及工艺试验确定了施焊的焊接工艺及相关工艺措施,接头焊接质量合格,满足了SA335-P91与P22异种钢焊接施工要求,为管道的生产制造提供了技术保证.
【期刊名称】《石油和化工设备》
【年(卷),期】2011(014)004
【总页数】3页(P8-10)
【关键词】SA335-P91钢;P22钢;焊接工艺
【作者】柳越;胡林;王娟
【作者单位】四川川润股份有限公司,四川,自贡,643000;四川川润股份有限公司,四川,自贡,643000;四川川润股份有限公司,四川,自贡,643000
【正文语种】中文
四川川润动力设备有限公司为某工程项目制造的压力管道，其中工艺要求
P91+P22异种钢焊接接头，规格为φ559×53mm。

本公司首次接触此类异种钢接头的焊接，且生产工期较紧。

研究其焊接特性并制定相应的焊接工艺对生产制造顺利进行十分重要。

1 材料状况
SA335-P91、SA335-P22均按照ASME第Ⅱ卷（A篇）标准采购，供货状态为
正火+回火。

其化学成分、力学性能见表1-4。

表1 SA335-P91钢化学成分C Si Mn Cr Mo P S Ni Al Nb N V 0.08～0.12
0.2～0.5 0.3～0.6 8.0～9.5 0.85～1.05≤0.025≤0.02 ≤0.4 ≤0.004 0.06～0.1
0.03～0.07 0.18～0.25
表2 SA335-P91钢力学性能抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 纵向伸长率（%）冲击吸收功Akv/J 硬度HB≥585 ≥415 ≥30 / ≤250
表3 SA335-P22钢化学成分Si Mn Cr Mo P S 0.05～0.15 ≤0.5 0.3～0.6
1.90～
2.6 0.87～1.13 ≤0.025 ≤0.025 C
表4 SA-335P22钢力学性能抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 纵向伸长率（%）冲击吸收功Akv/J 硬度HB≥415 ≥205 ≥20 / /
2 焊接性能分析
2.1 SA335-P91钢焊接性能分析
SA335-P91钢为改进型9Cr1Mo钢，是一种新型马氏体耐热钢。

该材料的焊接性较差，有较大的淬硬倾向，易出现冷裂纹、焊接接头脆化、HAZ区软化等问题。

另外，由于马氏体钢的导热性差，焊接残余应力较大，当焊接工艺参数选择不当时，易产生冷裂纹。

因此，为防止产生裂纹，保证接头的韧性，焊前应进行预热，预热温度为250～300℃。

另外，在焊接过程中控制焊接区的组织转变进程是焊接质量控制的关键，应严格控制焊件的道间温度，使其保持在预热温度与300℃之间，
焊后应立即进行300～350℃/2～3h消氢处理。

2.2 SA335-P22钢焊接性能分析
SA335-P22钢为贝氏体耐热钢，钢中的主要合金元素Cr、Mo含量较高，Cr、
Mo元素提高了钢材的淬硬性，推迟了钢在冷却过程中的转变，提高了过冷奥氏体的稳定性。

对于给定成分的合金钢，淬硬程度取决于从奥氏体相转变的冷却速度。

当焊缝中扩散氢含量过高、焊接热输入较小时，由于淬硬组织和扩散氢的作用，常
在焊接接头中出现氢致延迟裂纹。

另外，在焊后进行热处理或长期高温工作中，易在热影响区熔合线附近的粗晶区内发生再热裂纹。

所以，为防止冷裂纹的产生，焊前应进行200～250℃预热，焊后进行300～350℃/2～3h消氢处理。

此外，为
避免再热裂纹的产生，在焊接过程中严格控制焊件的道间温度，使其保持在预热温度与300℃之间。

3 P91+P22异种钢焊接时应注意的问题
3.1 焊接材料选择
P91钢属马氏体耐热钢，而P22钢属贝氏体耐热钢，两者不论在成分上还是性能
上都有较大差距。

根据火力发电厂异种钢焊接技术规程DL/T752-2001，宜选用
与钢材级别低的一侧相配的或成分介于两侧母材之间的焊丝或焊条。

因此
P91+P22焊接选用焊丝为ER62-B3，焊条为E6015-B3。

3.2 根部焊缝金属氧化问题
P91钢属高合金钢，而P22钢的合金元素总量也在4%以上，在焊缝金属中Cr、Mo等合金元素较多，当合金元素达到一定含量时，在高温下与氧气发生化学反应，生成金属氧化物，大大降低了焊缝金属的力学性能，因此在焊接时必须对焊缝背面进行氩气保护。

3.3 熔合区母材稀释问题
选用焊材与P22钢的化学成分相当，熔敷金属与P22钢母材侧的熔合区不存在合金元素的稀释。

对于P91侧，因合金元素相差较大，易产生合金元素的稀释，可
通过采用小规范来降低母材的熔合比，减少合金元素的稀释。

4 工艺试验
母材为P91和P22钢，规格均为φ559×53mm。

4.1 焊前准备
焊接坡口采用机加工而成，坡口见图1。

对两钢管对口两侧各20mm范围内的油
污、铁锈等必须进行彻底清理，直至露出金属光泽。

图1 焊接坡口图
4.2 焊接方法及焊接材料
采用手工钨极氩弧焊打底，焊条电弧焊填充、盖面，焊丝为ER62-B3 φ2.4mm；钨极为WCe-20 φ2.5mm，采用Ar≥99.99%的氩气进行保护；焊条为E6015-B3 φ3.2mm，φ4.0mm，φ5.0mm。

4.3 焊接工艺
焊前采用火焰预热，预热温度为200～250℃；层间温度控制在200～300℃范围内；焊后立即进行300～350℃/2～3h消氢处理。

工艺参数见表5。

表5 焊接工艺参数焊接层次焊接方法电流极性焊接材料/mm 焊接电流（I）焊接电压（V）焊接速度(cm/min)打底 GTAW 直流正接 ER62-B3 φ2.4 120～140 10～15 5～7 1 SMAW 直流反接 E6015-B3 φ3.2 100-115 22-24 10～13 2～5 SMAW 直流反接 E6015-B3 φ4.0 165～175 24～26 12～14 6～SMAW 直流反接 E6015-B3 φ5.0 210～220 28～30 12～14
焊接时采用自制工装对焊缝背面进行充氩保护，氩气流量8～9L/min。

4.4 焊后热处理
热处理工艺参数：温度740±10℃，恒温180min，升降温速度为≤150℃/h，降至350℃后自然冷却。

4.5 焊接控制要点
（1）打底焊接时，注意不能像焊接一般钢材那样，送丝一定要均匀，同时在收头时特别注意把焊接电流衰减下来，填满弧坑后移向坡口边沿收弧，防止产生弧坑裂纹。

（2）焊条电弧焊填充时，第一道应尽可能减小焊接电流，防止打底层由于电流过大被击穿。

（3）层道间需仔细进行清理，可用角向砂轮机进行清理，不可用榔头錾子敲击焊缝，以防止产生裂纹。

（4）在施焊过程中，焊道的分布要合理，采用多层多道焊，在保证填充金属与母材金属熔合良好的情况下，尽量提高焊接速度，以减小焊接热输入，降低熔池的温度，避免增大焊缝的淬硬性。

4.6 焊接质量检验
对焊口进行100%外观检验，表面无气孔、裂纹、凹坑等缺陷，焊缝边缘过渡圆滑，焊缝尺寸符合设计及规程要求。

对焊口进行1 0 0%射线探伤，按J B/T4730-2005，结果达I级。

4.7 试件力学性能检验
试件拉力、弯曲、冲击试验数据见表6。

表6 试件力学性能测试结果冲击试验常温Akv(J)焊缝区热影响区P22侧 P91侧560、550 完好、完好、 240、225、230 240、285、260 228、260、240弯曲试验（侧弯）D=40.α=180°拉伸试验σb (MPa)
4.8 硬度检验
试件进行热处理后对焊缝进行硬度检测，焊接接头的硬度值HB≤250，均满足设
计要求。

5 产品焊接
P22+P91异种钢焊接接头，采用上述工艺进行焊接，经射线探伤，焊口一次合格率达100%。

6 结论
（1）SA335-P91、P22钢虽然焊接性较差，但通过采用以上合理的工艺措施及焊接工艺参数，可保证接头的焊接质量。

（2）该焊接工艺满足了P91与P22异种钢焊接的需要，焊缝经射线探伤未发现
缺陷，检验结果说明该钢的焊接取得了良好效果。

◆参考文献
[1]焊接学会.焊接手册（第2卷）[M].北京：机械工业出版社，2001.
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[3]洪卫，王志伟.SA213-TP91+T23异种钢焊接工艺[J].焊接技术，2010，39（3）：23-26.
[4]郭军，杨建平，何刚等.DL/T752-2001火力发电厂异种钢焊接技术规程[S].北京：中国电力出版社，2001，6-8.。