工艺参数及焊接材料对T91/P91钢焊缝性能的影响

摘 要：综合分析了手工电弧焊焊接过程中的预热温度、热处理温度、焊接线能量等主要工艺因素以及焊接材料对T91/P91钢焊缝性能的影响。

关键词：工艺参数；焊接材料；焊缝性能；T91/P91钢

T91 /P91钢具有高的抗拉强度、高温蠕变和持久强度，低的热膨胀系数，良好的导热性、加工性和抗氧化性能以及高的韧性，因而在我国电站锅炉的高温高压蒸汽管道中广泛应用[1]。在管道长期高温运行过程中，焊缝由于受其焊接及热处理工艺等因素的影响，逐渐出现一些问题[2]。国内外的应用和研究表明，只要焊接工艺合理，T91/P91钢焊接接头可以具有良好的性能。

本文综合分析了手工电弧焊条件下，预热、焊后热处理工艺、焊接线能量等工艺因素以及焊接材料对其焊缝性能的影响。

1 影响因素分析

1.1 预热温度的影响

工艺评定试验采用T91锅炉过热器管，管子规格为Ф51×6，加工成V型坡口，坡口角度为60°，对口间隙为1mm，采用E505-15MOD-Ф3.2焊条，焊接工艺参数见表1。

焊件分别预热200℃ 、250℃ 、300℃后进行焊接，在焊后不热处理的情况下，对焊缝及其热影响区进行硬度测试，测试部位如图1所示。I为焊缝中心，II为热影响区（粗晶区），III为热影响区（细晶区）。测试结果如图2所示。可以看出，预热温度从200℃增加到300℃， 热影响区硬度下降明显，而焊缝及热影响区硬度变化很小。

表1 T91管材焊接工艺参数

图1 焊接接头硬度测试点位置

图2 不同预热温度下焊缝及热影响区的硬度值

不同预热温度下焊缝的力学性能指标测试结果如表2所示。可以看出，在不热处理的前提下，预热温度分别为200℃ 和250℃时，部分试样的焊缝会出现冷裂纹；而当预热温度为300℃时，焊缝均不出现冷裂纹。这是由于预热温度低时，焊接熔池冷却速度快，大量的氢来不及逸出而被保留在焊缝中，导致产生氢致延迟裂纹；同时由于焊缝冷却速度相对较快，马氏体转变速度快，导致焊缝产生较大的残余应力。随着预热热温度的提高，马氏体转变时间延长，有助于降低马氏体转变时的组织应力及氢的逸出，防止产生冷裂纹。

表2 不同预热温度下焊缝的力学性能（焊后不热处理）

1.2 预热情况下，热处理温度对焊缝性能的影响

在200℃、250℃及300℃的预热温度下完成焊接，并分别对焊缝进行加热650℃、750℃及850℃并保温30 min的高温回火热处理。热影响区（细晶区），热影响区（粗晶区）及焊缝区的硬度测试值如图3所示。表明，随着热处理加热温度的升高，焊缝的硬度呈下降趋势，预热温度的影响不明显（图3c）；而预热和热处理对热影响区的影响比较大（图3a，b）。在200℃预热温度下，热处理温度从650℃升高到850℃时，热影响区的硬度降低。在250℃及300℃的预热温度下，热处理温度从650℃升高到750℃ ， 热影响区（粗晶区）的硬度略有升高，当温度从750℃升高到850℃时，该区域的硬度明显下降，而热影响区（细晶区）的硬度则随着热处理温度的升高呈持续的下降趋势，在 200℃预热时更明显。

从图3还可以看出，在一定的预热温度下，随着热处理温度的升高，焊缝区的硬度变化不大，而热影响区（粗晶区和细晶区）的硬度变化明显。

图3 不同预热和热处理温度下硬度值

预热温度和热处理温度对焊缝强度和伸长率的影响见图4。从图4（a）可见，在三种预热温度下，热处理温度从650℃升高到750℃时，焊缝的抗拉强度变化不明显；当热处理温度从750℃升高到850℃时，抗拉强度都表现出明显的下降趋势，300℃预热温度下变化最明显，抗拉强度值下降最多。从图4（b）可见，在三种预热温度下，随着热处理温度的提高，焊缝的伸长率值都呈现上升的趋势。

1.3 焊接线能量的影响

根据焊接线能量公式E=60 UI/v（式中：I为焊接电流；U为焊接电压；v为焊接速度；E为焊接线能量），使用的焊接电流过大或焊接速度较慢，都会使焊接线能量增大。在焊接过程中，线能量大主要表现在大直径厚壁管采用多层多道焊时，使用较大的焊接电流时，焊条摆动的宽度和焊层厚度远远超过规定的尺寸，能减少焊接层数和道数。

工艺评定采用规格为Ф460×47.5的P91管材，采用E505-15MOD-Ф4焊条，预热温度为200℃，焊后 冷却至100～150℃保温1h，然后进行750℃×3 h热处理。两种对比试验焊接工艺参数如表3所示。

表3 P91管材的两种焊接工艺参数

金相显微镜检验表明，A焊缝晶粒尺寸较小，马氏体板条块宽度较小，B焊缝由于焊接线能量较大，金相组织过热程度较大，获得的是尺寸较大的奥氏体组织，在随后的冷却过程中形成的马氏体也较为粗大，虽经高温回火后，回火马氏体的尺寸也比较粗大，粗大组织的板条界面较清晰，而且板条成束较宽，位向仍然存在且较明显，尤其是熔合区附近晶粒长大最为明显，有很强的方向性。

由于多层多道焊使得焊层厚度大，后继焊道对前面焊道的回火作用不完全，劣化了焊缝金属的韧性[3]。而且过大的焊接热输人使组织严重过热，晶粒尺寸生长过大，而高温回火又在Ac1以下，所以长大的晶粒尺寸不可能得到重新细化，它对焊缝组织的影响也只能在细微结构的调整上，而粗大马氏体束的尺寸和位向没有得到根本改变，造成焊缝韧性低下。同时粗大的颗粒状的M23C6在晶界或晶内析出或聚集，且不均匀，都加剧了该区域冲击韧度的下降[4]。当采用小电流或焊接速度较快时，焊接线能量降低。主要表现为焊层较薄，焊接层数和道数增加。在小的线能量下，焊接熔池的体积小，熔池温度降低，进而减小一次结晶晶粒尺寸，有效防止马氏体晶粒长大，减少碳化物的析出量和铁素体含量，晶粒细小，马氏体板条块宽度减小，位向结构不明显，而且使C、N化合物均匀弥散地分布在组织中，从而有效地提高焊缝金属的韧性。

1.4 焊接材料对焊缝性能的影响

手工电弧焊用焊条使焊缝金属合金化有药皮过渡和焊芯过渡两种方式。目前的T9l/P91钢焊条大多采用药皮过渡合金使焊缝金属合金化的方式，这种方式的合金过渡机理比较复杂，当药皮熔化时，合金元素的过渡是在熔化金属与液态熔渣界面上进行的，合金元素的数量、颗粒度、金属、熔渣的成分和性质，决定了它的过渡方向和数量，而且其中的部分合金来不及完全熔化，可能进入熔渣，一方面会造成合金过渡损失，另一方面会使焊缝脱渣困难[5]。

工艺试验采用T9l锅炉过热器管，管道规格为Ф51×6mm，加工成V型坡口，坡口角度为30。，对口间隙为1mm，焊接工艺参数同表1。试样预热至200℃后，进行手工电弧焊焊接。试验分别采用两种焊条。焊条I采用药皮过渡，焊条II采用焊芯过渡。焊后进行750℃×30 min的热处理。母材、焊条I、II熔覆金属（焊缝）的化学成分及其力学性能如表4、表5所示。可以看出，I、II两种焊条焊缝成分中Cr、Si、Nb含量不同，焊条I焊缝中的Cr、Si、Nb含量比焊条II焊缝的要多。经金相显微镜观察后发现，焊条I焊缝中存在一定数量的铁素体组织，而焊条II焊缝中则不存在铁素体组织。铁素体组织的存在，导致焊缝韧性下降，蠕变性能下降。热处理后焊条II焊缝的性能更接近于母材。进一步研究发现，在任何焊后热处理状态，焊条II焊缝的韧性总是比焊条I焊缝的好。而且，当合金元素经药皮过渡进入焊接熔池时，合金元素混合不均匀而容易产生偏析，致使沿焊缝方向成分产生变化，进而影响焊缝的性能。

表4 母材、焊缝熔覆金属的化学成分对比

表5 母材、焊缝熔覆金属的力学性能对比

2 结论

（1）在不进行焊后热处理的条件下，预热温度低于250℃时，焊缝可能会出现冷裂纹；预热温度高于300℃时，则不会产生冷裂纹。随着预热温度的升高，焊接接头的抗拉强度下降，伸长率变化不明显。

（2）热处理对焊缝的硬度影响较大，随着热处理温度的升高，焊缝的硬度下降，预热温度变化的影响不明显。预热和热处理对热影响区的性能影响比较大。在任何预热温度下，随着热处理温度的提高，焊接接头的伸长率值均呈现上升趋势。

（3）焊接线能量较大时，焊缝的冲击韧度下降；焊接线能量降低，可有效地提高焊缝金属的韧性。

（4）焊条合金过渡方式采用焊芯过渡时要比药皮过渡效果好，焊缝性能比较好。

参考文献

[1] 杨富，章应霖，我国火电站焊接技术的现状及进展[A].

新型9～12%系列热强钢焊接技术资料选编[C].中国机电工程学会，2002，34-45

[2]章应霖，王学，张建强.P91钢焊接接头性能及存在问题的讨论[J].水利电力机械，2001，23（1）：22-28.

[3]张红军，刘树涛，范长信.P9l钢焊接接头的冲击韧性[J].热力发电，2005，（11）：99-101

[4]黄嗣罗，焊接工艺参数对SA335-P91炉管接头韧性的影响[J].焊接技术，2002，（3）：51-53.

[5]徐德录，T9l/P9l钢焊接材料的发展和应用[J].焊接，2002，（8）：10·13.

作者简介：

金志山（1955-），从事焊接现场施工、焊接技术研究及焊接技术培训工作。