杜培仁 王 华 鲁玉龙
（蒙达发电有限责任公司 内蒙古 014300）

摘要： 随着电力工业的迅速发展，火电单机容量不断增大，运行参数不断提高，钢材应用等级提高，钢种增加，对焊接修复工作也提出了更高的要求。本文通过药芯焊丝免充氩焊接技术在电站锅炉检修过程中的应用，主要介绍了药芯焊丝应用于1Cr18Ni9Ti钢材的打底焊接，免除管内充氩保护系统，降低劳动强度和工程成本，从根本上解决Cr元素含量较高钢材焊口根部氧化问题，使得无条件充氩焊接质量无保证难题，得到彻底解决。
关键词： 免充氩 药芯焊丝 根部氧化 焊接工艺
1. 我厂钢材的特点
目前随着我厂的扩建以及技改项目的增加，1Cr18Ni9Ti 被广泛应用于燃油管道、制氢管道、暖风器疏水管道等设备上；TP304H、T91等钢材被广泛应用于高温过热器、再热器等受热面管道中，但这些钢材由于Cr元素含量较高，焊接时极易氧化。
金属在焊接中被氧化的可能性取决于它们对氧的亲和力、系统温度和浓度等因素。Cr元素与O2具有一定的亲和力，在低碳钢和普通低合金钢的焊接中，由于Cr元素含量较少，因此其氧化烧损不严重。但在高Cr钢的焊接中，由于Cr含量的提高，Cr在焊接区的活度激烈增加，使焊缝金属表面发生氧化可能性提高。特别是采用TIG焊（手工钨极氩弧焊）时，由于焊缝背部的高温金属无法进行有效保护，焊缝背部的高温金属与空气中的氧产生剧烈反应，导致焊缝根部的严重氧化和烧损。T91钢的含Cr量为8%～9.5%，TP304H和1Cr18Ni9Ti钢的含Cr量约为18.0%-20.0 %，它们焊接时同样存在根部氧化和烧损的问题。因此，在焊接过程中，对熔化金属进行保护，免受空气的有害作用是非常必要的。在以往施焊过程中，通常采用背部充氩进行保护或用低匹配焊丝进行焊接，以提高焊缝根部质量，但焊接工艺复杂，要求严格，如焊接工艺执行不当，焊接接头将产生早期失效和损坏。而且，只考虑了焊缝的整体强度和高温使用性能，解决了焊缝区氧化问题，在整个焊缝的熔合区，尤其是母材熔化部分的氧化问题还没有解决，这些部位的氧化，也容易造成应力集中。所以，这样做只是使焊缝根部氧化范围减小，氧化程度减轻，但氧化烧损问题依然存在。
简化焊缝根部充氩保护，提高焊缝质量，减少焊缝金属中有害杂质和有益合金元素的损失，使焊缝金属得到适合的化学成份，已成为这些钢材应用和普及的技术难题。
2.现场施工过程中遇到的问题
对这些钢管而言，TIG焊打底时的质量好坏，很大程度上取决于内部充氩保护的效果。在现场实际的检修焊口施焊中，背部内充氩保护操作起来相当困难，准备时间也比较长，有些情况下，因结构、环境等因素，背部充氩保护几乎无法实施。图1是300MW机组锅炉高温过热器结构和焊口分布的示意图。从图1中我们可以看出，对于一个封闭的管道系统，无论是安装时的最后一道焊口的施焊，还是锅炉检修时割管检验或更换管道的恢复焊接，其可供选择的充氩方式受到限制。实践中，通常用针头或细径管从焊缝坡口的间隙处充氩，以解决充氩保护问题。事实上，从间隙充氩其效果很不理想。这主要是因为没能形成有效地保护气室，同时氩气的流量也无法控制到最佳程度，从而使氩保护失败，造成了焊口的焊接质量差，返修率高。在当前采用的TIG焊中，为保护根部不被氧化，必须采用管内充氩保护。既增加了一套氩气送气系统，使焊接工序更加复杂，又耽误时间，增加劳动强度，加大成本。那么，能否通过使用一种新型的焊接材料和焊接工艺，从而优化甚至取消背部充氩保护呢？
通过达电燃油管道和制氢管道焊接实践，采用药芯焊丝免充氩技术进行1Cr18Ni9Ti钢管的根层打底焊接，完全可以达到焊接工艺要求，保证焊接质量，可以免除管内充氩保护所带来的麻烦，降低工程成本。“药芯焊丝免充氩TIG焊”技术的优化推广，对于已使用或已更换T91、TP304H钢管屏的设备在抢修或检修时的现场焊接，也提供了一种安全高效、节约简便、可靠的焊接工艺，可解决了在役T91、TP304H钢管现场检修焊接的难题。
3.药芯焊丝的结构特点及保护机理
3.1.药芯焊丝免充氩TIG焊的保护机理
药芯焊丝是近年来迅速发展的一种新型焊接材料。这种焊丝焊接熔渣覆盖较好，脱渣容易，焊缝成型美观，可全方位焊接。在底层焊道焊接时，可实现背面熔渣保护。因此，可不必采取背面充氩的工艺措施，特别适合打底层焊接，生产效率高，熔敷金属和焊接接头高温力学性能优良。这种新的焊接工艺具有的渣气联合保护作用，使焊缝的纯度提高，S、P、N、H、O的含量降低，药芯焊丝可通过钢皮和药芯两种途径过渡合金元素，合金系调整方便，可充分利用现有的焊接冶金理论，获得优良的力学性能，尤其是冲击韧性。同时，利用药芯熔化后形成的熔渣对焊缝背面进行保护，使高温时的焊缝金属与周围的空气隔离，避免高温时的焊缝金属产生氧化反应，另外，氩气也很好的保护了熔池。
4. 药芯焊丝免充氩TIG焊法应用
达电燃油管道和制氢管道的安装采用“药芯焊丝免充氩TIG焊”这种新技术，这两个管道的材质为1Cr18Ni9Ti，基本解决了根部氧化的问题。
4.1焊接要求：焊接人员为持证I类焊工，施工前进行了培训；焊接设备采用和普通TIG焊一样的ZX7系列支流弧焊电源，正接法；焊接材料为R316LT1-5(Med316-b5hs) ；管道制备坡口角度70°，钝边1-1.5mm，间隙1-2mm，坡口两侧10-15mm范围内加工出金属光泽。
将外观连续合格的3个试样作了相应的检验和试验，结果如下，
4.1.1外观检查结果见表：
检查 部位 表露缺陷 焊缝宽度 焊缝余高 咬边 与母材过渡 焊缝颜色
外表 无 10.0-10.5mm 0.5-0.6 mm 无 圆滑 金黄
根层 无 >6.0 mm >0.2mm 无 圆滑 金黄
41.2无损探伤：Ⅰ、Ⅱ级。
4.1.3断口检查：未见缺陷。
4.1.4力学试验：δb：556、558、562（MPa），在原金属呈延性断裂。
4.1.5金相试验： 金相组织：奥氏体+少量铁素体。金相照片见图3
4.2操作时注意事项：严格按照厂家提供的工艺参数施焊。施焊时不得将其他污物带入坡口，以免产生气孔。接头时温度不易过高，运条时应严格控制焊接速度，熄弧时不允许在弧坑中突然断弧，以免产生裂纹。
4.3检验：为缩短检验周期，控制焊接质量，我们焊一批，检一批，一次合格率都在98℅以上。
5.结论：
5.1在背部无法充氩保护条件下，用低匹配焊丝进行1Cr18Ni9Ti、T91、TP304H等钢材的根层焊接打底操作，可减轻焊缝根部的氧化程度，但不能完全解决焊缝根部氧化烧损问题。药芯焊丝免充氩TIG焊基本解决了这一难题。
5.2在背部无法充氩保护条件下，采用药芯焊丝TIG焊法对焊缝根层打底操作，焊缝背部成型良好，无氧化烧损现象，且具有渣气联合保护的功效，为解决1Cr18Ni9Ti、T91、TP304H等Cr含量较高的合金钢管在电站高温受热面上焊接及推广使用提供了焊接技术保证。
5.3采用免充氩药芯焊丝TIG焊法，既简化了焊接工序，又减轻了劳动强度，降低了工程成本。特别是为充氩受限制的封闭管路上使用或更换高Cr 管材提供了方便。
5.4药芯焊丝在抗气孔能力上还有所不足，急需要改进。
5.5该焊接工艺能保证焊缝质量，操作易于掌握和控制，尤其是外观成型美观。
（杜培仁，男，1971年生，东北电力学院热动 专业大专毕业，现从事焊接工作。）