摘要：采用钨极惰性气体保护焊（GTAW）焊打底与CO2气体保护焊（FCAW）填充、盖面的焊接方法对ASMESA335P22和ASMESA335P11钢管做了焊接工艺评定。分别对其焊缝进行了拉伸、弯曲、冲击和硬度检测等机械性能试验，并通过金相照片对焊缝的微观组织进行了分析，结果证明工艺评定焊缝的各项力学性能指标都达到了ASMEⅨ的要求，该评定是合格的。这说明对P11和P22两种Cr-Mo钢管采用GTAW+FCAW的焊接方法在实际生产中是可行的，焊缝的性能是能够得到保证的。
关键词：SA335-P22；SA335-P11；GTAW+FCAW焊接；焊接工艺评定
1前言
Cr-Mo钢是目前世界上广泛使用的热强钢和抗氢钢，由于在低碳钢中加入了Cr、Mo等合金元素，大大提高了钢的综合性能：高温力学性能、抗高温氧化性、抗腐蚀性、良好的韧性、工艺性能和可焊接性。被广泛地应用于石油化工、煤转化、核电、火电等使用条件苛刻（高温、高压、与氢或氢混合介质接触）的大型设备[1-2]。目前国内对于Cr-Mo钢的焊接主要是采用钨极惰性气体保护焊（GTAW）焊接、手工电弧焊（SMAW）焊接、或GTAW打底加SMAW填充和盖面等方法，很少采用GTAW打底、CO2气体保护焊（FCAW）填充和盖面的焊接方法，尤其是高温、高压管线和压力容器设备制造的主焊缝，FCAW主要用于低碳钢、低合金钢等黑色金属，焊缝性能要求不高的不锈钢和钢结构件的焊接。我公司采用国外先进的焊接设备、焊接工艺和材料，将GTAW与FCAW应用于电力行业的高温、高压蒸汽Cr-Mo钢管线的焊接，取得了很好的效果。
2材料及设备
2.1母材
本次焊接所用母材分别为ASMESA335P22（2-1/4Cr-1Mo），规格型号为：219mm×22.5mm，对应国内牌号为12Cr2Mo钢管；ASMESA335P11（1-1/4Cr-1/2Mo），规格型号为：273mm×33.33mm，对应国内牌号为12CrMo钢管，这两种材料均属于以Cr-Mo为基的低、中合金珠光体耐热钢范畴。材料主要的化学成分和性能参数详见下表1和表2。
表1母材化学成分%
材质CMnSiPSCrMo
P22标准值0.05～0.15≤0.500.30～0.60≤0.025≤0.0251.90～2.600.87～1.13
实测值0.1020.4980.3160.0070.0022.2080.943
P11标准值0.05～0.150.50～1.000.30～0.60≤0.025≤0.0251.00～1.500.44～0.65
实测值0.140.7290.500.0070.0031.2380.492
表2母材性能参数
材质屈服强度
MPa(σ0.2)抗拉强度
MPa(σb)延伸率
%（δ5）
P11≥205≥415≥22
P22≥205≥415≥22
2.2焊接材料
对应P11的焊接材料分别为AWSA5.28-96ER80S-B2焊丝和AWSA5.29-98E81T1-B2药芯焊丝，P22的焊接材料分别为AWSA5.28-96ER90S-B3焊丝和AWSA5.29-98E91T1-B3药芯焊丝。其化学成分和性能参数分别见表3和表4。
表3焊接材料化学成分%
CMnPSSiCrMo
ER80S-B2标准0.07～0.120.40～0.70≤0.025≤0.0250.40～0.701.20～1.500.40～0.65
实测0.0720.530.0080.0100.521.290.47
E81T1-B2标准0.05～0.12≤1.25≤0.03.≤0.03≤0.801.00～1.500.40～0.65
实测0.0551.240.0170.0140.441.170.55
ER90S-B3标准0.07～0.120.40～0.70≤0.025≤0.0250.40～0.702.30～2.700.90～1.25
实测0.0700.690.0180.0100.672.311.07
E91T1-B3标准0.05～0.12≤1.25≤0.03.≤0.03≤0.802.00～2.500.90～1.20
实测0.0531.110.0180.0200.432.501.09
表4焊接材料性能参数
材质屈服强度
MPa(σ0.2)抗拉强度
MPa(σb)延伸率
%（δ5）试验温度
（℃）平均冲击吸收功
（J）
ER80S-B2标准≥470≥550≥19
实测54065023
E81T1-B2标准≥470550～690≥19
实测565635211039
ER90S-B3标准≥540≥620≥17
实测59068520125
E91T1-B3标准≥540620～760≥17
实测570690181047
2.3焊接设备
焊接电源为德国制造的CLOOSGLC553MC3型焊机。该焊机的主要技术参数见表5。
表5GLC553MC3型焊机技术参数
输入
电源额定输入
电压额定频率输入蜂值电流功率因素最大空载电压焊接范围暂载率
100%60%
27.7KVA3×400Vac50HZ47A0.9670V40A/12V～550A/44.5V500A/39V550A/41.5V
3焊接工艺评定
按ASMEⅨ的要求，同时也满足JB4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》标准，做了以下焊接工艺评定（如表6）。
表6焊接工艺评定
序号材质规格（mm）焊接方法焊接材料
1P11273×33.33GTAW焊打底ER80S-B2
FCAW焊填充、盖面E81T1-B2
2P22219×22.5GTAW焊打底ER90S-B3
FCAW焊填充、盖面E91T1-B3
3.1力学性能试验
工艺评定所采用的焊接规范参数见表7，过渡形式为细颗粒过渡。坡口采用机械加工，并按JB4730对坡口表面进行100%渗透检测，坡口表面应无裂纹、疏松等缺陷。GTAW焊接前应用丙酮或酒精擦洗焊丝及坡口表面和四周。采用氧—乙炔火焰预热焊口，预热温度为：P11不低于150℃，P22不低于205℃。打底焊时，背面充氩气保护。焊后分别进行700～750℃×2h和720～760℃×2h的回火处理，热处理工艺曲线见图2和图3。热处理后24小时进行X—射线拍片。拍片合格后对工艺评定试样进行弯曲、拉伸、冲击等一些力学性能试验，试验结果见表8～表11。
表7焊接工艺评定规范参数
材质焊接
方法电源极性填充金属电流
(A)电压
(V)保护
气体气体流量
（L/min）
类别直径
P11GTAW直流正接ER80S-B22.4mm60～25010～18Ar12
FCAW直流反接E81T1-B21.2mm140～27018～32CO220
P22GTAW直流正接ER90S-B32.4mm60～18010～18Ar12
FCAW直流反接E91T1-B31.2mm140～27018～32CO220
表8试样拉伸试验数据
材质试样编号试样规格
（mm）抗拉强度
(MPa)断裂位置
P11GP04-01-11250×19.22×33.20545热影响区
GP04-01-12250×19.20×32.56540热影响区
P22GP04-02-11250×19.00×22.30665热影响区
GP04-02-12250×19.28×22.20645热影响区
表9试样弯曲试验数据
材质试样编号试样规格
（mm）弯轴直径
（mm）弯曲角度弯曲面缺陷状况评定
结果
P11GP04-01-25180×33.33×104S180°侧弯无缺陷合格
GP04-01-26180×33.33×104S180°侧弯无缺陷
GP04-01-27180×33.33×104S180°侧弯无缺陷
GP04-01-28180×33.33×104S180°侧弯无缺陷
P22GP04-02-25180×22.5×104S180°侧弯无缺陷合格
GP04-02-26180×22.5×104S180°侧弯无缺陷
GP04-02-27180×22.5×104S180°侧弯无缺陷
GP04-02-28180×22.5×104S180°侧弯无缺陷
表10试样冲击试验数据
材质试样编号试样规格
（mm）缺口形式试验温度开槽位置冲击功
（J）平均值
（J）评定
结果
P11GP04-01-3110×10×55V19℃焊缝170159合格
GP04-01-3210×10×55V19℃焊缝146
GP04-01-3310×10×55V19℃焊缝160
GP04-01-3410×10×55V19℃热影响区164148合格
GP04-01-3510×10×55V19℃热影响区132
GP04-01-3610×10×55V19℃热影响区148
P22GP04-02-3110×10×55V23℃焊缝9076合格
GP04-02-3210×10×55V23℃焊缝66
GP04-02-3310×10×55V23℃焊缝72
GP04-02-3410×10×55V23℃热影响区188209合格
GP04-02-3510×10×55V23℃热影响区216
GP04-02-3610×10×55V23℃热影响区222
表11试样硬度试验数据HBHLD
材质规格标准值母材区
检验值热影响区
检验值焊缝区
检验值
P11273×33.33≤225123124133
P22219×22.5≤241123133209
表7～表11的试验结果表明，对P11和P22两种钢管采用GTAW+FCAW的焊接方法所做焊接工艺评定焊缝的各项力学性能指标都达到了ASMEⅨ的要求。
3.2金相组织分析
在X-射线拍片合格后，对P11和P22工艺评定试样的母材、热影响区和焊缝金属的金相组织进行光学显微镜观察、分析，结果如下：
P11试样：示母材的组织：大块白色组织为先共析铁素体，黑色组织为珠光体；焊缝的组织为：可能是热处理后冷却速度较快，焊缝组织晶粒细小，分布有等轴晶粒、白色的铁素体晶粒加黑色的珠光体；熔合区的组织为：熔合线两侧的组织变化明显，一侧为母材粗大的铁素体和珠光体，另一侧为焊缝组织。
P22试样：母材的组织：白色为先共析铁素体，在晶界处黑色组织为珠光体；焊缝的组织为：粗大的铁素体晶粒加细小的珠光体；熔合区的组织为：熔合线附近可以看出有柱状先共析铁素体，熔合线两侧的组织不均匀，但其主要成分仍为铁素体加珠光体。
根据上述金属的金相组织结构分析表明热处理后焊缝的主要成分和母材的原始成分是一致的，保证了焊缝性能同母材性能相匹配，也在一定程度上对力学性能试验结果起到了验证作用。这说明P11和P22工艺评定焊接材料及工艺参数的选择满足了Cr-Mo钢焊接性的特点和要求。
综合力学性能试验结果及金相组织分析，证明对Cr-Mo钢采用GTAW+FCAW的焊接方法在实际生产中是可行的，其焊接工艺也是合理的，焊缝的性能是能够得到保证的。
4焊接工艺
4.1焊接材料
在管道生产预制中，采用与焊接工艺评定一样的焊接材料。GTAW焊打底时，对P11和P22材料分别选用ER80S-B2和ER90S-B3两种焊丝，氩气的纯度为99.99%。FCAW焊填充和盖面时，分别选用E81T1-B2和E91T1-B3两种药芯焊丝，CO2气体纯度为99.9%。
4.2焊接工艺过程
①根据图样尺寸，对管子进行切割；
②采用车削机械加工图3.1所示坡口；
③坡口表面及内外侧20mm范围内将表面氧化皮清除干净；
④坡口表面100%着色渗透探伤检测，应无裂纹、疏松等缺陷；
⑤组对前先用丙酮或酒精擦洗坡口及焊丝表面，组对后安装好背面充氩保护装置；
⑥采用GTAW焊接方法对管子进行组对点焊，点焊规范应与焊接规范相同，点焊焊点数不少于3处，每处长度不小于20mm；
⑦用氧-乙炔火焰预热待焊焊口，在焊口200mm范围内均匀加热至预热温度；
⑧按表3.2所示的焊接参数先后进行GTAW打底焊和FACW填充、盖面焊接；
⑨焊接完成后，清除焊缝周围的飞溅等污物；
⑩焊后按图3.2和图3.3所示的热处理曲线对焊缝进行热处理；
○11热处理后用硬度计检测母材、焊缝和热影响区的硬度值；
○12对焊缝作外观检查；
○13在热处理24小时后进行X射线检测，按ASME和GB4730标准Ⅱ级合格。
4.3实际应用
在实际生产过程中，共焊接了114道焊缝，拍了399张X-射线片子，其中14张片子存在裂纹、气孔、未熔合和夹渣等缺陷。根据RT检测结果，对焊接缺陷产生的位置和形状进行分析认为，焊缝中产生的缺陷位于CO2气体保护焊范围内，裂纹为冷裂纹；而气孔主要为一氧化碳气孔、氢气孔和氮气孔。
5结论
根据前面对ASMESA335P22和ASMESA335P11钢管GTAW+FCAW的焊接工艺评定焊缝性能的检验和金相分析以及实际应用情况，可以得出以下结论：①将GTAW+FCAW的焊接方法应用于高温、高压的蒸汽Cr-Mo钢管线的焊接工艺是可行的，焊缝的性能是能够得到保证的。②合理的焊接工艺以及焊接工艺的严格执行是保证焊缝质量的重要前提。
参考文献：
［1］迟永军,冯永强,李春光.Cr-Mo钢小口径管全位置自动TIG焊工艺的研究与应用[A].中国压力容器学会Cr-Mo钢设备制造技术交流会论文集[C],1998,(12):29-32.
［2］孙国辉,李宜男,王富洲.Cr-Mo钢CO转换器的焊接[A].中国压力容器学会Cr-Mo钢设备制造技术交流会论文集[C],1998,(12):46-49.
［3］JB4708-2000,钢制压力容器焊接工艺评定标准[S].