CN108176911A - 一种p91材料焊接及热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种P91材料焊接及热处理方法，属于钢材料处理技术领域，包括：1)预热并保温；2)采用GTAW或SMAW焊接，设定焊接电流、电压；3)焊后立即保温缓冷；4)焊缝温度控制在100℃以上立即入炉进行焊后热处理，升温加热并保温，炉内缓冷；5)温度降至300℃，打开炉门在静止的空气中冷却至室温。本发明解决了焊接接头的残余应力高的问题，有效的降低了焊接接头的残余应力，改善焊缝金属的组织和性能，提高了P91材料的抗氧化性能和抗高温蒸汽腐蚀性能，使其具有良好的冲击韧性和高而稳定的持久塑性及热强性能，在使用温度低于620℃时，其许用应力高于奥氏体不锈钢。

Description

一种P91材料焊接及热处理方法
技术领域
本发明涉及一种钢材料焊接及热处理方法，特别是涉及一种P91材料焊接及热处理方法，属于钢材料处理技术领域。
背景技术
P91材料即9Cr-1Mo钢材料，是美国于七十年代末八十年代初开发的新型马氏体耐热钢，以其热膨胀系数，弹性模量、蠕变性能以及抗氧化性等多方面的优胜，在许多国家的电站的主蒸汽管道中得以广泛的应用，在我国，P91钢的应用已经开始，电力规划总院在将P91钢与国内普遍采用的主蒸汽管道用钢进行经济技术比较后，于1996年提出了在我国推荐使用P91钢的建议，因此，在大型火力发电机组中采用P91钢已成为一种必然的趋势。
近几年来引进机组主蒸汽管道及再热热段管道普遍采用了P91钢，国内300MW及以上机组也普遍开始采用了这种钢材，P91钢在我国公司属于首次使用，其焊接工艺评定工作及焊接、热处理的特点需要在施工过程中摸索，而且管道对口安装顺序对焊接质量也起着关键作用，为保证P91钢管道的焊接工艺和焊接质量达到要求，因此，急需研究出P91钢焊接工艺及热处理的要求，作为指导焊接工艺评定及现场安装、焊接施工的依据。
发明内容
本发明的主要目的是为了提供一种P91材料焊接及热处理方法，解决焊接接头的残余应力高的问题，改善焊缝金属的组织和性能。
本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：
一种P91材料焊接及热处理方法，包括如下步骤：
步骤1：预热
预热温度设置为150-200℃，并保温0.5h；
步骤2：焊接
采用GTAW焊接，设定焊接电流130-180A，设定焊接电压10-14V，焊缝背部用纯度为99.99％氩气保护；
或采用SMAW焊接，设定焊接电流160-180A，设定焊接电压21-24V，层间温度控制在200-250℃；
步骤3：保温缓冷
焊后立即保温缓冷至100-120℃，保温1-1.5h；
步骤4：热处理
焊缝温度控制在100℃以上立即入炉进行焊后热处理，升温加热至750-770℃后，保温3-5h，炉内缓冷；
步骤5：冷却
温度降至300℃，打开炉门在静止的空气中冷却至室温；
步骤6：焊接接头冲击试验
冲击实验的冲击温度为-20℃。
进一步的，所述步骤1中，预热温度设置为170-180℃用于增强手工氩弧焊的可操作性。
进一步的，所述步骤2中，层间温度控制在230-240℃用于增强手工电弧焊的的可操作性。
进一步的，所述步骤3中，焊后立即保温缓冷至100-110℃用于使焊接接头组织完全均匀化转变为马氏体组织；并防止温度过低使焊接接头组织转变过快而形成裂纹。
进一步的，所述步骤4中，升温加热至755-765℃用于消除焊接残余应力；使马氏体组织转变成回火马氏体，降低焊缝表面的硬度，提高焊接接头韧性。
进一步的，所述步骤4中，热处理的加热温度根据Mn、Ni含量或Ac1相变温度在760±10℃范围内调整；
当Ni+Mn＜1.0％时，加热温度设置为770℃；
当1.0％≤Mn+Ni＜1.5％时，加热温度设置为760～765℃。
进一步的，所述步骤4中，热处理的升温速度为60-100℃/h，冷却速度控制在60-100℃/h。
进一步的，所述步骤4中，热处理采用中频感应热处理机进行热处理，中频感应热处理机选用II级K型热电偶丝测量，热电偶丝直径为1.0mm，热电偶丝采用用陶瓷套管套住，所述热电偶丝采用储能式焊偶仪将其直接压焊在焊缝外表面。
进一步的，所述步骤4中，热处理采用补偿型补偿导线温度补偿。
进一步的，所述步骤6中，在冲击温度为-20℃时，焊接接头的冲击韧性≥48J。
本发明的有益技术效果：按照本发明的P91材料焊接及热处理方法，本发明提供的P91材料焊接及热处理方法，解决了焊接接头的残余应力高的问题，有效的降低了焊接接头的残余应力，改善焊缝金属的组织和性能，提高了P91材料的抗氧化性能和抗高温蒸汽腐蚀性能，使其具有良好的冲击韧性和高而稳定的持久塑性及热强性能，在使用温度低于620℃时，其许用应力高于奥氏体不锈钢。
附图说明
图1为按照本发明的P91材料焊接及热处理方法的一优选实施例的焊接及热处理曲线图；
图2为按照本发明的P91材料焊接及热处理方法的一优选实施例的加热器与保温材料布置图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1和图2所示，本实施例提供的一种P91材料焊接及热处理方法，包括如下步骤：
步骤1：预热
预热温度设置为150-200℃，并保温0.5h；
步骤2：焊接
采用GTAW焊接，设定焊接电流130-180A，设定焊接电压10-14V，焊缝背部用纯度为99.99％氩气保护；
或采用SMAW焊接，设定焊接电流160-180A，设定焊接电压21-24V，层间温度控制在200-250℃；
步骤3：保温缓冷
焊后立即保温缓冷至100-120℃，保温1-1.5h；
步骤4：热处理
焊缝温度控制在100℃以上立即入炉进行焊后热处理，升温加热至750-770℃后，保温3-5h，炉内缓冷；
步骤5：冷却
温度降至300℃，打开炉门在静止的空气中冷却至室温；
步骤6：焊接接头冲击试验
冲击实验的冲击温度为-20℃。
冲击实验按ASME SA-370：QW170验收合格；冲击温度-20℃。试样加工要求：每种焊接方法取四组试样(四组分别为：1/2t焊缝区、1/2t热影响区、1/4t焊缝区、1/4t热影响区)，每组试样为三件，冲击试验结果如表1所示：
表1冲击试验结果
进一步的，在本实施例中，所述步骤1中，预热温度设置为170-180℃用于增强手工氩弧焊的可操作性。
进一步的，在本实施例中，所述步骤2中，层间温度控制在230-240℃用于增强手工电弧焊的的可操作性。
进一步的，在本实施例中，所述步骤3中，焊后立即保温缓冷至100-110℃用于使焊接接头组织完全均匀化转变为马氏体组织；并防止温度过低使焊接接头组织转变过快而形成裂纹。
进一步的，在本实施例中，所述步骤4中，升温加热至755-765℃用于消除焊接残余应力；使马氏体组织转变成回火马氏体，降低焊缝表面的硬度，提高焊接接头韧性。
进一步的，在本实施例中，所述步骤4中，热处理的加热温度根据Mn、Ni含量或Ac1相变温度在760±10℃范围内调整；
当Ni+Mn＜1.0％时，加热温度设置为770℃；
当1.0％≤Mn+Ni＜1.5％时，加热温度设置为760～765℃。
进一步的，在本实施例中，所述步骤4中，热处理的升温速度为60-100℃/h，冷却速度控制在60-100℃/h。
进一步的，在本实施例中，所述步骤4中，热处理采用中频感应热处理机进行热处理，中频感应热处理机选用II级K型热电偶丝测量，热电偶丝直径为1.0mm，热电偶丝采用用陶瓷套管套住。
进一步的，在本实施例中，所述热电偶丝采用储能式焊偶仪将其直接压焊在焊缝外表面。
进一步的，在本实施例中，所述步骤4中，热处理采用补偿型补偿导线温度补偿。
进一步的，在本实施例中，所述步骤6中，冲击韧性由标准要求常温冲击＞34J提高至低温冲击(-20℃)≥48J，明显提高了焊接接头的冲击韧性。
进一步的，在本实施例中，焊前准备：焊接坡口形式和尺寸主要根据下列因素：a)焊接方法；b)母材厚度；c)焊缝填充金属尽量少；d)避免产生缺陷；e)减少焊接变形与残余应力；f)有利于焊接防护；g)焊工操作方便。
进一步的，在本实施例中，坡口制备：坡口制备采用机械加工；坡口表面应保持平整，按照NB/T47013.4-2015 100％MT检测，表面不应有裂纹、分层、夹杂物等缺陷。
进一步的，在本实施例中，组对定位：组对定位过程中要注意保护坡口表面，防止发生机械损伤。组对定位后，坡口间隙、错边量、棱角度等应符合要求。定位焊缝不得有裂纹，否则应清除重焊。如存在气孔、夹渣时亦应去除。熔入永久焊缝内的定位焊缝两端应便于接弧，否则应予修整。
进一步的，在本实施例中，预热：采用电履带加热对焊缝进行局部预热，预热温度150～200℃，预热的范围应大于两侧坡口边缘75mm，在此区间任意点的温度都要满足规定的要求。试板焊接接头温度在整个焊接过程中都不可低于预热温度。
进一步的，在本实施例中，焊接参数见表2：
表2焊接参数
进一步的，在本实施例中，焊接环境：焊接环境出现下列任一情况时，应采取有效防护措施，否则禁止施焊：a)风速：≥10m/s；b)相对湿度＞90％；c)雨雪环境。应在引弧板或坡口内引弧，禁止在非焊接部位引弧。应在引出板上收弧，弧坑应填满。防止地线、电缆线、焊钳等与焊件打弧。电弧擦伤处需经修磨，使其均匀过渡到母材表面，修磨的深度应不大于该部位母材厚度的5％，且不大于2mm,否则应进行补焊。焊接过程中应控制焊接线能量，防止冲击值不合格。注意道间和层间清理，将焊缝表面熔渣、有害氧化物、油脂、锈迹等清除干净后再继续施焊。施焊过程中，应控制道间温度不低于预热温度。焊缝应采用一次焊完。当中断焊接时，应及时采取保温、后热缓冷措施。重新施焊时，仍需按原规定进行预热。后热处理一般不进行。但焊接中断或焊后不能及时进行热处理时，必须进行后热处理。后热处理温度为300～350℃，恒温时间不小于2h，确保扩散氢的充分逸出。后热处理，应在马氏体转变结束后进行。
进一步的，在本实施例中，焊后热处理：焊后热处理是为了降低焊接接头的残余应力，改善焊缝金属的组织和性能。一般为高温回火。高合金钢焊后热处理必须采用远红外加热或中频感应加热方式进行。热处理工作使用的设备包括远红外热处理机、中频热处理机、加热器、热电偶、测温仪、电缆、保温棉、焊炬等。热处理机上的表计、加热器、热电偶、测温仪需要计量合格后才能使用。中频热处理设备应按设备维护要求做好校核工作，保证设备完好。
进一步的，在本实施例中，焊后热处理工艺参数：焊后热处理温度，P91钢焊后热处理加热温度根据Mn、Ni含量或Ac1相变温度在760±10℃范围内调整热处理的控温温度，如Ni+Mn＜1.0％可取770℃即上限，如1.0％≤Mn+Ni＜1.5％控温温度为760～765℃，但控温温度绝对不能超过775℃这一上限。
进一步的，在本实施例中，热处理升降温速度如表3所示：
表3热处理升降温速度表
进一步的，在本实施例中，热电偶选择：中频感应热处理机选用II级K型热电偶丝测量，直径为Φ1.0mm，并用陶瓷套管套住，仅露出头部。远红外加热热处理机选用K型铠状热电偶。
进一步的，在本实施例中，温度补偿线选择及连接：采用补偿型补偿导线，在使用和储存中应避免对补偿导线产生由于机械、热、潮湿环境造成损伤，且补偿导线不允许有冷加工和过度的绕卷。补偿导线与热电偶线连接时，必须保证极性正确，且必须采用接线座连接，不得将两根导线直接拧在一起。
进一步的，在本实施例中，热电偶丝的固定：热电偶丝采用储能式焊偶仪将其直接压焊在焊缝(管道)外表面，焊前必须先将热电偶丝/补偿导线与所有温度监控仪表断开，且焊缝(表面)用砂皮、磨光机等进行打磨，除去油污、氧化层等，形成一小块平整光滑的表面，并露出金属光泽。焊接时能量≤125J，正负极两个结点的距离约为6mm左右。焊完后通过轻拽热偶丝来检查结点是否焊接可靠。距离测量结点50mm范围内的热电偶丝需用2mm以上的隔热材料覆盖以避免热量从加热器沿着热电偶丝向结点传递，并固定可靠，避免在安装加热器时碰落或移位。热电偶丝之间除与测量结点外与其它如管壁等导体均需绝缘。
进一步的，在本实施例中，热电偶拆卸：热处理结束后，在拆除热电偶丝前，应用记号笔在每个结点周围以圆圈作记号，剪断热电偶丝，用锉刀或磨光机轻轻磨去结点，然后进行目视和渗透检查。
进一步的，在本实施例中，温控设备的选择：选用电脑智能温控箱或数字仪表智能温控箱。加热器采用柔性陶瓷电阻加热器，保温材料采用硅酸铝保温材料。
进一步的，在本实施例中，如图2所示，加热区宽度的选择：
SB—均温区宽度，焊缝最宽处W+2t或焊缝最宽处W+100mm较小值；
HB—加热加热器宽度，取下面三式的最大值；
HB0＝SB+50mm；
HB1＝SB+4(ID×t)0.5；
HB2＝3〔(OD2-ID2)/2+ID×SB〕/OD；
其中：
t—管道的名义厚度；
ID—管道的内径；
OD—管道的外径；
GCB—最小保温宽度；
最小保温宽度：GCB＝HB+4(ID×t)0.5。
进一步的，在本实施例中，检测与试验：
无损检测：焊接完成72小时外观目视检查合格后，进行无损检测；首先按照NB/T47013.2-2015 100％RTII(AB)检测合格，表面按照标准NB/T47013.4-2015 100％MTⅠ检测合格。
理化检测：侧弯试验、拉伸试验、冲击试验，侧弯实验按ASME QW466：D＝40,α＝180°；QW160验收合格。试样加工要求：试验的焊缝余高应采用机械方法去除，试样采用全宽度下弯曲。
进一步的，在本实施例中，拉伸实验按ASME QW462.1(a)：QW150验收合格。试样加工要求：将试样在厚度方向上均匀分成4层取样，代替一个全厚度试样进行拉伸试验。
进一步的，在本实施例中，冲击实验按ASME SA-370：QW170验收合格；冲击温度-20℃。试样加工要求：每种焊接方法取四组试样(四组分别为：1/2t焊缝区、1/2t热影响区、1/4t焊缝区、1/4t热影响区)，每组试样为三件。
进一步的，在本实施例中，拉伸结果如表4所示：
表4拉伸结果
进一步的，在本实施例中，弯曲试验结果如表5所示：
表5拉伸结果
进一步的，在本实施例中，冲击试验结果如表6所示：
表6冲击试验结果
进一步的，在本实施例中，在P91钢焊接过程中，遇到了一些问题，其中主要问题是焊缝的冲击韧性值偏低，在所取的试样冲击功最低的仅有13J，远远低于标准要求。为此我们进行了详细的原因分析，并采取了相应的措施，确保了P91钢工艺评定工作的成功。
综上所述，在本实施例中，按照本实施例的P91材料焊接及热处理方法，本实施例提供的P91材料焊接及热处理方法，解决了焊接接头的残余应力高的问题，有效的降低了焊接接头的残余应力，改善焊缝金属的组织和性能，提高了P91材料的抗氧化性能和抗高温蒸汽腐蚀性能，使其具有良好的冲击韧性和高而稳定的持久塑性及热强性能，在使用温度低于620℃时，其许用应力高于奥氏体不锈钢。
以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种P91材料焊接及热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：预热
预热温度设置为150-200℃，并保温0.5h；
步骤2：焊接
采用GTAW焊接，设定焊接电流130-180A，设定焊接电压10-14V，焊缝背部用纯度为99.99％氩气保护；
或采用SMAW焊接，设定焊接电流160-180A，设定焊接电压21-24V，层间温度控制在200-250℃；
步骤3：保温缓冷
焊后立即保温缓冷至100-120℃，保温1-1.5h；
步骤4：热处理
焊缝温度控制在100℃以上立即入炉进行焊后热处理，升温加热至750-770℃后，保温3-5h，炉内缓冷；
步骤5：冷却
温度降至300℃，打开炉门在静止的空气中冷却至室温；
步骤6：焊接接头冲击试验
冲击实验的冲击温度为-20℃。
2.根据权利要求1所述的一种P91材料焊接及热处理方法，其特征在于，所述步骤1中，预热温度设置为170-180℃用于增强手工氩弧焊的可操作性。
3.根据权利要求1所述的一种P91材料焊接及热处理方法，其特征在于，所述步骤2中，层间温度控制在230-240℃用于增强手工电弧焊的的可操作性。
4.根据权利要求1所述的一种P91材料焊接及热处理方法，其特征在于，所述步骤3中，焊后立即保温缓冷至100-110℃用于使焊接接头组织完全均匀化转变为马氏体组织；并防止温度过低使焊接接头组织转变过快而形成裂纹。
5.根据权利要求1所述的一种P91材料焊接及热处理方法，其特征在于，所述步骤4中，升温加热至755-765℃用于消除焊接残余应力；使马氏体组织转变成回火马氏体，降低焊缝表面的硬度，提高焊接接头韧性。
6.根据权利要求1所述的一种P91材料焊接及热处理方法，其特征在于，所述步骤4中，热处理的加热温度根据Mn、Ni含量或Ac1相变温度在760±10℃范围内调整；
当Ni+Mn＜1.0％时，加热温度设置为770℃；
当1.0％≤Mn+Ni＜1.5％时，加热温度设置为760～765℃。
7.根据权利要求1所述的一种P91材料焊接及热处理方法，其特征在于，所述步骤4中，热处理的升温速度为60-100℃/h，冷却速度控制在60-100℃/h。
8.根据权利要求1所述的一种P91材料焊接及热处理方法，其特征在于，所述步骤4中，热处理采用中频感应热处理机进行热处理，中频感应热处理机选用II级K型热电偶丝测量，热电偶丝直径为1.0mm，热电偶丝采用用陶瓷套管套住，所述热电偶丝采用储能式焊偶仪将其直接压焊在焊缝外表面。
9.根据权利要求1所述的一种P91材料焊接及热处理方法，其特征在于，所述步骤4中，热处理采用补偿型补偿导线温度补偿。
10.根据权利要求1所述的一种P91材料焊接及热处理方法，其特征在于，所述步骤6中，在冲击温度为-20℃时，焊接接头的冲击韧性≥48J。
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