P22与P91异种钢焊缝冲击韧性试验研究

太原锅炉集团有限公司 （山西 030021） 高文华

P22和P91钢在国外电力工业中应用已有相当长的历史，在国内也有十几年的应用实践。但大多数焊接工艺人员对P22和P91钢之间的异种钢焊接性没有完全理解，特别是脆性断裂方面，在制造或安装过程常发生焊接接头脆性断裂现象。为此，选用与P91钢相匹配的焊接材料用两组参数进行热处理，分别匹配4组温度的系列冲击试验，避免脆性断裂事故的发生。

一、试验材料

试验用材料为P22和P91铁素体耐热钢，P91钢的合金总量高于P22钢，但前人的Y型拘束裂纹试验证明，P22钢的冷裂倾向大于P91。焊接材料应选用与P91钢相匹配的，试验用钢及焊接材料的化学成分和力学性能分别如表1、表2所示。

表1 试验用钢及焊材的化学成分

表2 试验用钢及焊材的力学性能

二、P22与P91异种钢焊接工艺

1. P22与P91异种钢接头焊接材料选择

在美国AWS D10.8、英国BS2633工艺标准以及瓦卢瑞克·曼内斯曼钢管公司提供的指导性意见中，既可选用高匹配焊材也可选用低匹配焊材进行焊接。

根据以上指导性意见及国内外的实践经验，对P91与P22之间的异种钢焊接，选用焊材进行分析：

（1）目前尚无成熟可用的介于两者之间的焊接材料，而且即便有也同样存在碳迁移问题。

（2）采用低匹配焊材时易产生焊接冷裂纹，国内20世纪80年代引进美国电站锅炉制造技术，采用低匹配焊材焊接T91与T22时，发现较多焊接冷裂纹而不得不再次用高匹配将其取代。

（3）采用高匹配焊材有较好的抗裂性并且能保证焊缝的高温强度。我国首批6台300MW锅炉的再热器均采用高匹配焊材，已安全运行30多年。德国伯乐蒂森焊接技术公司介绍，高匹配可简化加工工艺，提高焊接质量，越来越多的欧洲电站锅炉制造厂开始采用高匹配焊材来进行P91与P22的焊接。

根据以上的分析，拟采用高匹配焊材在P22与P91的焊接接头进行试验。

2. P22与P91异种钢焊前准备

（1）坡口制备 P22与P91异种钢焊接坡口形状和尺寸如图1所示。

（2）焊前清理 用角向磨光机将坡口表面及距坡口15～20mm的母材金属内外壁表面的油、漆、垢、锈及氧化皮等有害杂质清理干净，呈现金属光泽。

图1

（3）对口点固焊 在对口根部采用氩弧焊分段定位，按正常焊接时用的焊材及工艺将其定位，定位焊缝位置为4个象限点附近，定位焊缝数量为4处，定位焊缝的长度为20~30mm，定位焊缝的厚度为3~4mm。

（4）充氩保护 为防止P91与P22异种钢焊缝根部氧化，GTAW打底及SMAW焊接填充第一层焊缝时，应在管内侧充氩气保护背面金属，防止其过度氧化。

首先，以坡口轴中心为基础，每侧各200～210mm处贴两层可溶纸，以耐高温胶带粘牢固，做成密封气室，以防充氩时氩气从管道中流失造成充氩不足而产生根部氧化。其次，采用一充气弯管从坡口间隙充氩，将氩气流量控制在（30±2）L/min（感觉氩气从焊缝间隙中轻微返出），以保证氩气的充足和纯度。整个焊口可用高温胶带封堵，焊接一段拔开一段，逐段地进行焊接。

（5）预热 根据材料的焊接特性及规格，对其进行整圈电加热局部预热，预热温度：200~210℃；升温速度：≤150℃/h；保温时间：1h。

预热范围：焊口中心两侧150mm；加热温度的测量：两个测温点布置在焊件加热面的背面，距对口中心两侧各200 mm。

3. 焊接

（1）结合产品的实际焊接过程，采用手工氩弧焊打底加焊条电弧焊填充和盖面的焊接工艺进行焊接，具体焊接参数如表3所示。

（2）焊接注意事项 第一，氩弧焊打底。①手工氩弧焊打底，采用打底两层，一则可防止打底焊缝被第一层焊条电弧焊填充焊时烧穿，二则会降低根部焊缝氧化程度。②手工氩弧焊时，氩气必须提前保护和滞后断气保护；熄弧时焊接电流的衰减时间应≥10s（即不能突然熄弧），使收弧处的焊缝金属有时间铺展开和使有害物质有时间浮上表面，以减少收弧处的焊缝金属堆积和防止裂纹的产生。③焊道的起焊、停焊点要错开，避免同一位置起弧与熄弧，以造成有害成分的聚积；收弧区弧坑应饱满，避免出现弧坑组织疏松与弧坑裂纹。④手工氩弧焊时，单层厚度应≤3.0mm。⑤打底焊接时，要注意不能像焊接一般钢材那样，送丝一定要均匀，不能靠送焊丝的力量来突出根部，否则容易造成根部焊缝出现未熔化的焊丝头。铁液最好采用自由过渡，收弧时特别要注意把焊接电流衰减下来，填满弧坑后移向坡口边沿收弧，防止产生弧坑裂纹。

表3 焊接参数

第二，焊条电弧焊填充和盖面焊接。①焊条电弧焊填充时，第一道焊道应尽可能减小焊接电流，防止打底层由于电流过大被击穿。每一根焊条收弧都应衰减电流，待熔池填满后再收弧，防止产生弧坑裂纹。②层道间需进行仔细清理，利用角向砂轮机进行清理，不可用榔头、錾子过重地敲击焊缝，防止产生裂纹。③焊条电弧焊时，需要很好地控制焊接参数，选用较低的焊接热输入，由于P91钢和所选择焊接材料的合金含量较高，熔池中液体金属流动性较差，过小的焊接电流不易获得优良的焊缝形状，容易形成层间熔合不良。因此，可以采用增大焊接速度代替降低焊接电流的办法来保证较低的焊接热输入，也就是采用较小的焊道厚度。④焊接多层多道焊时，焊缝宽度不大于焊条直径的3倍为宜，但最大不宜超过4倍。焊层的厚度以小于等于焊条直径为宜，每焊一层(道)，必须用角向砂轮机或钢丝刷彻底清除焊渣及飞溅，特别要注意中间接头及坡口边缘。⑤一旦开始焊接，在整个焊接过程中应持续保持上述测量点的温度不得低于要求的预热温度，直到焊接结束，否则需停止焊接并重新加热。

4. 焊后消氢处理

（1）焊接完成后，使焊件冷却到80～100℃，并在此温度之间保温1h，确保奥氏体转变为马氏体。

（2）确保奥氏体转变为马氏体过程结束后，马上升温进行消氢处理。消氢处理工艺：加热温度350~360℃，保温1h；加热方式：整圈电加热；加热范围：焊缝中心两侧150mm；升、降温速度：150℃/h；加热温度的测量：两个测温点布置在焊缝中心最高点和最低点；消氢处理结束后室温存放。

5. 焊后检测

焊后对焊缝进行100%外观检查和100%射线探伤检查，结果符合试验预期结果。

6. 焊后热处理

为了验证热处理参数对冲击韧性的影响，我们采用两种不同的热处理参数，对工件入炉表面测温，整体热处理进行试验，具体参数如图2所示。

图2

7. 焊接接头性能检测

根据相关标准要求对焊接接头取样、加工，进行性能检测，具体检测项目及结果如表4所示。

对表4中数据进行分析，可得出如下结论：

表4 焊接接头性能检测

（1）从冲击试验结果来看，延长焊后热处理的保温时间，可致焊缝的冲击韧性明显提高。

（2）当试验温度为10℃时，第一组试验焊接接头的冲击韧性刚刚满足标准要求，对工程应用安全裕度不够。第二组试验延长焊后热处理保温时间，焊接接头冲击韧性为标准的1.8倍，对工程应用安全裕度比较大。

（3）当试验温度降低到-10℃时，焊接接头的冲击韧性急剧降低，二组试验的焊接接头冲击断口的晶状断面率均超过80%，说明该温度下，焊接接头已经处于脆性状态。

（4）当试验温度降低到-20℃时，焊接接头冲击断口的晶状断面率接近甚至达到100%，说明在该温度下，焊接接头已经处于完全的脆性状态。

三、结语

（1）延长焊后热处理的保温时间，焊缝在-20℃到室温范围内的冲击韧性明显提高。

（2）在相同的焊后热处理条件下，试验温度降低，焊缝冲击韧性也随之降低，当试验温度降低到-20℃时，焊缝的冲击韧性大幅下降，其冲击断口的晶状断面率接近甚至达到100%，说明在该温度下，焊接接头已经处于完全的脆性状态。