焊接線能量能量介紹

350MW 機(jī)組主蒸汽管道、高溫段過熱器管道、屏式過熱器管道、汽輪機(jī)主汽管道采用T91/P91 材料制造。350MW 鍋爐為超臨界火室燃料鍋爐，它的過熱器、主蒸汽出口設(shè)計(jì)壓力為25.4MPa，過熱器、再熱器的蒸汽溫度為566℃。由于長期在高溫高壓下運(yùn)行，在機(jī)組檢修過程中，發(fā)現(xiàn)高溫過熱器部分管道因煙氣沖刷嚴(yán)重，管壁減薄，用硬度計(jì)測量硬度，硬度超過HB250，焊縫出現(xiàn)脆性組織，需對減薄段進(jìn)行更換，而P91鋼材質(zhì)成分復(fù)雜，壁厚大，淬硬傾向大，可焊性差，焊接過程中要嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)。但由于高溫過熱環(huán)境惡劣，焊口數(shù)量多，在生產(chǎn)中難以保證參數(shù)的穩(wěn)定性，通過實(shí)驗(yàn)方法，研究不同的焊接工藝下焊縫組織及力學(xué)性能。P91鋼焊接的主要問題是冷裂敏感性較大，及一定的熱裂傾向。同時(shí)也不可忽視接頭性能的弱化（焊縫區(qū)韌性的惡化和熱影響區(qū)的軟化），因此合理的焊接工藝是控制和改善該鋼焊接性的重要技術(shù)手段 。

焊接試件及焊接材料，試驗(yàn)用焊接試件規(guī)格為φ290×30 的進(jìn)口P91 鋼管，開V 形坡口。焊前清理。采用角向磨光機(jī)對坡口兩側(cè)20~30mm 范圍進(jìn)行打磨清理。充氬保護(hù)。為防止P91 鋼焊縫根部氧化，在焊接之前，從管內(nèi)側(cè)充氬氣，保護(hù)背面技術(shù)，防止其過度氧化，保護(hù)氣流量5L/min。

預(yù)熱及層間溫度。焊前采用DWK-D-60 型智能溫控儀繩式加熱器對其預(yù)熱，預(yù)熱溫度150~200℃，加熱速度小于150℃ /h，層間溫度200~300℃。焊接材料選擇。為了提高抗裂性選用德國蒂森Thermanit MTS3φ2.4 焊絲，Thermanit ChromoT91φ2.5 焊條。

焊接線能量的選擇。采用單面焊雙面成型，打底焊用鎢極氬弧焊打底，焊條電弧焊填充蓋面，鎢極氬弧焊打底焊接線能量為15KJ/cm，10 KJ/cm，7 KJ/cm，焊條電弧焊采用22 KJ/cm，17.5KJ/cm，12KJ/cm 三種焊接線能量焊接。

焊后熱處理。為保證焊縫馬氏體組織的完全轉(zhuǎn)變，待試件緩冷降溫至100℃，應(yīng)立即進(jìn)行焊后熱處理，采用柔性陶瓷電阻遠(yuǎn)紅外加熱帶智能溫控儀控溫，升降溫速度小于150℃ /h，760±10℃恒溫2 小時(shí) 。

（1）拉伸試樣制取。采用焊接接頭拉伸試樣，從管子試件中取出的拉伸試樣，取全厚度試樣。

（2）沖擊試樣。沖擊試樣截取位置在管件的中心線位置取出缺口沖擊實(shí)驗(yàn)試樣，試樣數(shù)量為焊縫和熱影響區(qū)各3個(gè)。試樣的長度方向應(yīng)垂直于焊縫軸線，缺口軸線應(yīng)垂直于母材的表面，平行于焊縫的側(cè)面。焊縫沖擊試樣的缺口應(yīng)位于焊縫側(cè)面的中心線上，而熱影響區(qū)試樣的缺口應(yīng)開在熔合線以外的熱影響區(qū)內(nèi)且緊靠熔合線。

（3）金相硬度試樣。試樣在鋸床上鋸割成適當(dāng)大小的試塊，然后在砂輪上進(jìn)行初步打磨，之后在150#、200#、400#、600#、800#、1200# 的砂紙上進(jìn)行磨制，之后在1-、0.3- 和0.05-um 的尼龍布上進(jìn)行拋光，用FeCl3 進(jìn)行侵蝕，然后在顯微鏡下觀察，直到?jīng)]有劃痕為止。

（1）對P91 焊縫及熱影響區(qū)硬度值測量

不同的焊接線能量下硬度，由圖可以看出采用（GTAW）打底焊接線能量在15KJ/cm 以上 （SMAW）填充蓋面焊接線能量在22KJ/cm 以上時(shí)，焊縫及熱影響的硬度偏高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過（GTAW）打底焊接線能量為12KJ/cm以下 （SMAW）填充蓋面17.5KJ/cm 以下時(shí)的硬度。焊接線能量較小時(shí)焊縫金屬的硬度越接近母材的硬度。

隨著焊接線能量的增大，抗拉強(qiáng)度增大，由于焊接線能量較大，由于焊接熱循環(huán)的影響，供貨狀態(tài)性能優(yōu)良的母材性能可能有所下降，因此當(dāng)焊接線能量較大時(shí)，斷裂部位發(fā)生在母材處。

（3）沖擊韌性實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，焊接線能量增大，熱影響區(qū)的沖擊韌性明顯下降，這是由于焊接熱循環(huán)的影響，使得母材的性能尤其是沖擊韌性下降明顯，而焊縫金屬的沖擊值卻很高，主要是焊縫金屬中Nb、V 在冷卻凝固過程中很難與C、N 形成化合物析出。

（4）不同焊接線能量焊縫區(qū)的顯微組織

采用鎢極氬弧焊打底，焊條電弧焊填充蓋面后的焊縫組織為奧氏體 少量鐵素體，奧氏體的亞結(jié)構(gòu)為具有一定夾角的隱晶板條馬氏體，氬弧打底q=15 KJ/cm 焊條電弧焊q=22 KJ/cm 時(shí)，有碳化物析出，并在晶界處偏聚；氬弧打底q=10 KJ/cm 焊條電弧焊q=17.5 KJ/cm 時(shí)，焊縫組織為典型的回火索氏體組織，組織均勻，晶粒細(xì)??；當(dāng)氬弧打底q=7 KJ/cm 焊條電弧焊q=12 KJ/cm 時(shí)，焊縫組織為回火索氏體組織，焊縫組織均勻 。

焊接線能量對P91 鋼焊接接頭力學(xué)性能影響很大，焊接線能量過大，由于焊接熱循環(huán)的影響使得焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、硬度尤其是沖擊韌性影響很大，因此在焊接過程中我們通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)P91 耐熱鋼規(guī)格為φ219×30 焊接采用鎢極氬弧焊（GTAW）打底 焊條電弧焊（SMAW）填充蓋面，氬弧焊打底時(shí)焊接線能量控制在7~10KJ/cm，焊條電弧焊填充蓋面時(shí)焊接線能量控制在15~20KJ/cm 時(shí)，焊接接頭力學(xué)性能較為理想。同時(shí)在焊接操作過程中焊接線能量過小，金屬流動性差，焊縫成形不良，易產(chǎn)生咬邊、未熔合等焊接缺陷 。2100433B

線能量是指熔焊時(shí)，由焊接熱源輸入給單位長度焊縫上的能量焦?fàn)?厘米或焦?fàn)?毫米(J/cm或J /MM)，也可稱熱輸入。

計(jì)算：線能量的計(jì)算公式為：Q=IU/V

I—焊接電流,A；

U—電弧電壓，V；

V—焊接速度，cm/s或mm/ s。

焊接線能量(EnergyInput)由移動熱源輸入給單位長焊縫的能量。焊接線能量是焊接過程中各種熱現(xiàn)象的重要影響因素，它不但影響峰值溫度的分布和冷卻速度，還影響凝固時(shí)間，從而影響金屬焊接接頭的冶金特性和力學(xué)性能。其計(jì)算式為H~尸/v，式中H為線能量，J/mm;尸為由熱源輸入的總能量，W;v為熱源移動速度，mm/s。若熱源為電弧，則H~El/v，式中E為電弧電壓，V;I為焊接電流，A。若要精確計(jì)算熱源對焊件的作用，則Hne，~人，El/v，式中Hne:為凈得線能量。fl為熱傳導(dǎo)系數(shù)，其值為實(shí)際傳給工件的熱能與熱源產(chǎn)生的總能量之比。熱影響區(qū)的寬度與H二:成正比，焊縫的冷速與H、，成反比，而凝固時(shí)間與之成正比。所以焊接線能量對金屬焊接性有一定的影響。

中文名稱

大線能量焊接用鋼

英文名稱

steel for high heat input welding

定　　義

采用比一般焊接條件高得多的焊接線能量而不至于引起焊接區(qū)韌性顯著降低、也不會產(chǎn)生焊接裂紋的鋼。

應(yīng)用學(xué)科

材料科學(xué)技術(shù)（一級學(xué)科），金屬材料（二級學(xué)科），鋼鐵材料（三級學(xué)科），鋼鐵材料品種（四級學(xué)科）