P92鋼焊縫沖擊韌性工藝研究

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摘要：p92鋼是新型鐵素體耐熱鋼，已廣泛應(yīng)用于超（超）臨界燃煤發(fā)電機(jī)組。相比其他鐵素體耐熱鋼，P92鋼具有更高的高溫強(qiáng)度和蠕變性能，其抗熱疲勞性、熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)優(yōu)于奧氏體不銹鋼，抗腐蝕性和抗氧化性?xún)?yōu)于其他9%Cr的鐵素體耐熱鋼。P92鋼的焊接技術(shù)已較為成熟，但其焊接接頭易出現(xiàn)焊縫沖擊韌性偏低的問(wèn)題。影響P92鋼焊縫金屬?zèng)_擊韌性的主要因素是焊接熱輸入。細(xì)焊條、薄焊層、多層多道焊，適當(dāng)?shù)念A(yù)熱溫度、層間溫度，足夠的高溫回火溫度和恒溫時(shí)間，是保證焊縫沖擊韌性的有效措施。

關(guān)鍵詞：P92鋼管；焊接工藝；沖擊韌性；焊接熱輸入；馬氏體

1P92鋼的性能分析

SA335P92鋼是在P91鋼的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的一種新型鋼種[1]。P92鋼在P91鋼的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低鉬含量（0.5%Mo），同時(shí)加入一定量的鎢（1.8%W），將材料的鉬當(dāng)量（Mo+0.5W）從P91鋼的1%提高到約1.5%，并加入了微量的硼，是一種新型的可焊的細(xì)晶強(qiáng)韌化的馬氏體鋼。P92鋼物理性能良好，與P91鋼相比，具有更高的高溫蠕變斷裂強(qiáng)度、優(yōu)異的常溫沖擊韌度、優(yōu)良的抗氧化性、焊接裂紋敏感性低于傳統(tǒng)的鐵素體耐熱鋼低等性能優(yōu)點(diǎn)。但P92鋼具有明顯的時(shí)效傾向，在3000h時(shí)效后，其韌性下降許多，沖擊功從時(shí)效前的約220J降低到約70J。在3000h以后，沖擊功繼續(xù)下降的傾向不明顯，沖擊功將穩(wěn)定在時(shí)效3000h的水平[2]。時(shí)效傾向發(fā)生在550℃～650℃范圍內(nèi)，這個(gè)溫度范圍正是該鋼的工作溫度范圍。母材具有明顯的時(shí)效傾向，與母材成分相近的焊縫也同樣的傾向。同時(shí)，由于P92是細(xì)晶粒鋼，通過(guò)焊接熱循環(huán)過(guò)程的焊縫金屬是從溫度非常高的熔融狀態(tài)冷卻下來(lái)的鑄造狀粗晶結(jié)構(gòu)，晶粒得不到細(xì)化，破壞了鋼在細(xì)晶粒組織結(jié)構(gòu)下獲得的機(jī)械性能，使得焊縫金屬的沖擊韌性降低。另一方面，為鋼的熱強(qiáng)性而增加的微量金屬鎢（W）也促進(jìn)了焊縫沖擊韌性的降低。為了避免焊縫金屬時(shí)效后的韌性降低，提高焊縫金屬時(shí)效前的原始韌性，為時(shí)效留出足夠的余量，是解決焊縫金屬時(shí)效后韌性不足的有效途徑。提高焊縫沖擊韌性是焊接工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。

2影響焊縫沖擊韌性的因素

P92鋼經(jīng)過(guò)連鑄、控制、軋制等特殊精煉技術(shù)鑄造成的細(xì)晶強(qiáng)韌化的馬氏體鋼，具有較高的沖擊韌性和高溫強(qiáng)度。同時(shí)母材中為提高抗蠕變能力和降低δ鐵素體的敏感性，在冶金過(guò)程中加入的V、Nb、W等合金元素，沉淀強(qiáng)化以極細(xì)顆粒彌散析出的V、Nb、W碳化物高度細(xì)化晶粒。而P92鋼的焊縫金屬在其熔敷成型及冷卻過(guò)程中形成了鑄造狀的粗晶結(jié)構(gòu)，沒(méi)有經(jīng)過(guò)TMCP過(guò)程（Thermal-MechanicalControlProcess）即熱控軋加工過(guò)程，晶粒得不到細(xì)化，并且焊縫金屬由于熔池的高溫及快速凝固冷卻，少量的V、Nb、W等微量合金元素沒(méi)有以碳化物細(xì)化晶粒來(lái)韌化焊縫，反而固熔在基體內(nèi)，沒(méi)有機(jī)會(huì)充分析出，降低了焊縫的韌性。安徽電力第二工程公司汽機(jī)安裝公司通過(guò)焊接工藝評(píng)定，根據(jù)P92焊接接頭存在焊接冷裂紋、焊縫金屬韌性低、Ⅳ型裂紋等問(wèn)題[3]，研究其產(chǎn)生的原因及防范措施。提出晶粒越細(xì)、晶界越多，金屬的沖擊韌性越高。為提高P92鋼焊接性接頭的沖擊韌性，采用了降低焊縫金屬晶粒大小的焊接工藝。實(shí)踐證明，采用較小的焊接線能量、嚴(yán)格控制層間溫度及采用合適的熱處理規(guī)范，有利于獲得良好的P92鋼的焊接質(zhì)量[4]。2．1預(yù)熱P92鋼在正火+回火狀態(tài)下使用，組織為回火馬氏體。因P92鋼的C、S、P等元素含量低，純凈度高，具有較高的韌性，使其焊接冷裂紋傾向大為降低，但由于鋼在焊接狀態(tài)下馬氏體組織硬度高、韌性低，為了提高焊縫金屬的韌性和防止冷裂紋的產(chǎn)生，焊接時(shí)應(yīng)采取一些必要的預(yù)熱措施。預(yù)熱可適當(dāng)降低焊接殘余應(yīng)力，減緩馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的冷卻速度，有利于焊縫金屬中擴(kuò)散氫的逸出，避免產(chǎn)生氫致裂紋，同時(shí)也減少焊縫及熱影響區(qū)的淬硬程度，提高焊接接頭的抗裂性。P92鋼的合金含量超過(guò)10%，預(yù)熱對(duì)提高其接頭性能非常重要。預(yù)熱溫度應(yīng)該高于P92鋼Y型焊接性試驗(yàn)的止裂溫度。GTAW的預(yù)熱溫度為100℃~150℃；SMAW的預(yù)熱溫度為200℃~250℃。2．2層間溫度控制層間溫度可以保證焊接接頭的沖擊韌性，提高其高溫蠕變強(qiáng)度。為了獲得滿(mǎn)意的沖擊韌性，宜采用低焊接輸入熱量的焊接工藝，使層間溫度保持在200℃～250℃，較高的層間溫度會(huì)導(dǎo)致焊縫金屬的沖擊韌性降低。2．3焊接熱輸入實(shí)踐證明，焊件輸入熱量對(duì)焊接接頭的沖擊韌性有較大影響，焊件輸入熱量越大，焊接接頭的沖擊韌性越低。焊接線能量過(guò)大可能導(dǎo)致焊接接頭在高溫區(qū)間停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成焊縫中出現(xiàn)δ相，800℃~500℃區(qū)間停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成焊縫組織粗大，均會(huì)影響焊縫金屬的沖擊韌性[5]。正常焊接過(guò)程中，電弧電壓穩(wěn)定，焊接線能量主要受焊接電流和焊接速度的影響。焊接電流以鐵水流動(dòng)適宜、熔池清晰、熔和良好為前提，焊接速度在實(shí)際焊接操作中不易測(cè)量，但焊層厚度和焊道寬度是焊接線能量的直觀反映[6]，焊接過(guò)程中可通過(guò)控制和測(cè)量焊層厚度來(lái)有效控制焊接線能量。在P92鋼焊接過(guò)程中，以低熱輸入為原則，選擇薄層、窄焊道、多層多道的焊接工藝，找出了提高P92鋼焊條電弧焊焊縫沖擊韌性的方法。細(xì)焊條、窄道多道焊的沖擊韌性較高；擺焊的、薄焊道的沖擊韌性較高；橫焊的沖擊韌性較高；一層二道的窄間隙焊的沖擊韌性較高；多層多道焊的沖擊韌性較高。P92鋼厚壁管焊接時(shí)，采用多層多道焊，焊層盡量薄，存在著后焊焊道對(duì)先焊焊道的再熱作用，使先焊焊道的一部分柱狀晶形成細(xì)晶，晶粒越細(xì)，焊縫金屬的韌性越強(qiáng)。焊接工藝試驗(yàn)表明，焊層厚度控制在3mm以下，焊縫的沖擊韌性滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，焊層厚度達(dá)到4mm，焊縫的沖擊韌性達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。顯微組織分析，焊層厚度3mm時(shí)，焊縫組織為回火馬氏體；焊層厚度4mm時(shí)，焊縫組織為回火馬氏體伴隨少量鐵素體，致使焊縫韌性降低。2．4焊接熱處理實(shí)驗(yàn)結(jié)束表明，焊后熱處理對(duì)焊縫金屬的沖擊韌性影響極大[7]，足夠的高溫回火溫度和恒溫時(shí)間才能保證焊縫的力學(xué)性能達(dá)標(biāo)。根據(jù)CCT曲線，P92鋼的AC1溫度在800℃~850℃，根據(jù)熱處理工藝原則，回火溫度應(yīng)低于Ac1溫度，即800℃。為此，在P92鋼管焊接接頭上做了730℃和760℃焊后熱處理的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究不同熱處理溫度對(duì)焊接接頭組織和力學(xué)性能的影響。焊縫經(jīng)外觀、無(wú)損檢測(cè)合格，回火溫度分別在730℃和760℃時(shí)拉伸、彎曲實(shí)驗(yàn)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但在硬度檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，回火溫度760℃時(shí)，焊縫位置及熱影響區(qū)均低于標(biāo)準(zhǔn)的250HBW；回火溫度730℃時(shí)，焊縫位置及熱影響區(qū)均高于標(biāo)準(zhǔn)的250HBW；不論是母材、焊縫、熱影響區(qū)，隨著回火溫度的降低，試件的硬度值逐漸升高。回火溫度的提高雖造成焊接接頭硬度下降，但隨著碳氮化合物的析出，焊縫的韌性得到改善。這是因?yàn)楹缚p是由熔融狀態(tài)的金屬以極快的速度冷卻至室溫的鑄造組織，在冷卻過(guò)程中，焊縫熔敷金屬中的Nb、V等微量元素來(lái)不及以碳和氮化合物的形式析出，而以固溶的形式存在于焊縫金屬中，提高了焊縫的硬度，降低了焊縫的韌性。但當(dāng)回火溫度高于720℃時(shí)，組織中的Nb、V等微量元素逐漸以碳和氮化合物的形式析出，并隨著回火溫度的提高，碳和氮化合物析出越充分。760℃時(shí)是適宜的回火溫度，繼續(xù)提高回火溫度會(huì)導(dǎo)致焊接接頭的性能惡化。對(duì)于P92鐵素體耐熱鋼，為防止冷裂紋的產(chǎn)生，焊后不能立即升溫進(jìn)行回火熱處理，焊后必須冷卻至80℃~100℃并恒溫2h，待馬氏體轉(zhuǎn)變完全后才能做后熱處理。一方面達(dá)到完全地消除組織中未完全轉(zhuǎn)化的奧氏體，另一方面有利于氫擴(kuò)散逸出。為保證P92鋼大徑厚壁管焊縫根部的沖擊韌性，要求熱處理過(guò)程中其內(nèi)、外壁溫差不能高于20℃，在生產(chǎn)實(shí)踐中，公司采用了獨(dú)創(chuàng)的，獲得國(guó)家專(zhuān)利的內(nèi)封堵熱處理工藝，極大程度上保證了大徑厚壁管焊接接頭根部焊縫金屬的韌性。2．5時(shí)效傾向P92鋼具有明顯的時(shí)效傾向，在3000h時(shí)效后，其韌性和沖擊功下降許多。時(shí)效過(guò)程中，Cr、W、Mo等合金元素與Fe、Mn、Si形成金屬間化合物L(fēng)aves相，導(dǎo)致韌性下降。與母材成分相近的焊縫也具有同樣的傾向，為了確保時(shí)效后焊縫韌性保持在要求水平，時(shí)效前焊縫的原始韌性必須有充分的富裕量。2．6熱影響區(qū)Ⅳ型裂紋P92鋼存在焊接接頭熱影響區(qū)“第四類(lèi)”軟化區(qū)的行為，焊接接頭經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行后，斷裂在遠(yuǎn)離焊縫區(qū)的軟化帶，此軟化帶強(qiáng)度明顯降低，這是因?yàn)樵跓嵊绊憛^(qū)的細(xì)晶區(qū)析出相的粗化程度要比母材和熱影響區(qū)粗晶區(qū)大得多，易促進(jìn)蠕變空洞成長(zhǎng)，形成Ⅳ型裂紋。為了控制Ⅳ型裂紋，在保證焊接熔化良好、不產(chǎn)生焊接冷裂紋的基礎(chǔ)上，盡量不采用過(guò)高的預(yù)熱溫度及層間溫度，不采用過(guò)大的焊接線能量，采取多層多道焊并避免過(guò)厚的焊道，努力使熱影響區(qū)軟化帶變得狹窄，縮小其影響。

3結(jié)論

（1）小線能量對(duì)保證焊縫金屬韌性有利，用小規(guī)格焊條、小電流、快速連弧焊、薄焊層、多層多道焊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接線能量的控制。（2）在焊接接頭的形成過(guò)程中，采用盡量較小的焊接熱輸入，接近下限溫度范圍的預(yù)熱和層間溫度，保證足夠的高溫回火溫度和恒溫時(shí)間，確保小于20℃內(nèi)外壁溫差等措施，可實(shí)現(xiàn)提高焊縫沖擊韌性的目的。（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，焊層厚度3mm時(shí)，焊縫硬度值、沖擊韌性均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求；焊層厚度4mm時(shí)，焊縫硬度值超出標(biāo)準(zhǔn)值、沖擊韌性不能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求；觀察顯微組織，焊層厚度3mm時(shí)焊縫組織為回火馬氏體，焊層厚度4mm時(shí)焊縫組織為回火馬氏體伴隨少量的δ鐵素體，δ鐵素體的出現(xiàn)降低了焊縫的沖擊韌性。（4）較小的焊接熱輸入有益于提高焊縫的韌性，從而為高溫時(shí)效提供了富裕的韌性?xún)?chǔ)備。（5）小的焊接熱輸入減少熱影響區(qū)的尺寸，同是減小了Ⅳ型“軟化區(qū)”的寬度，搞高了焊接接頭的蠕變斷裂強(qiáng)度。

作者:杜軍 單位:中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)