焊后热处理对P92钢焊缝冲击性能的影响

张磊 薛鹏

摘 要：在本次研究中，我们针对p92钢焊接之后热处理样品的焊缝冲击性能进行分析，通过接头断面的硬度结果表明，p92钢管经过现场焊后热处理过程中，能够形成外高内低的温度梯度，导致样品焊缝外层冲击吸收能量高于内层，而当样品经过二次高温回火后，内外击吸收能量差别消失，同时提升了平均值。通过结果我们发现p92钢焊接接头壁厚的温度梯度，对于钢焊缝冲击性能产生重要影响。

关鍵词：焊后热处理；P92钢；焊缝；冲击性能

近年来，p92是一种新型的耐热钢，相比其他合金钢来说具有较强的蠕变性和高温强度，能够降低锅炉以及内部构件的质量，同时相比奥氏体不锈钢来说，具有良好的膨胀、热传到系数，以及良好的抗疲劳性能。相比铁素体耐热钢来说也具有较强的抗氧化性和抗腐蚀。近年来，随着工业建设的发展，目前这种材料已经广泛适用于超临界机组中，现有的焊接技术能够使钢焊接接头性能达到相应的技术标准，但由于焊缝冲击性能差，且不同样品冲击吸收能量存在较大差别，对于p92钢焊进行热处理之后分别沿壁厚方向从内，外区冲击样品进行检测，对比冲击吸收能量，研究焊后处理对于该焊缝冲击系统产生的影响。

一、p92钢焊接以及相应的焊后热处理

根据现场条件，我们选择的p92，其规格为306x26毫米，采用的是TIG的焊接方法，SMAW盖面，利用双微型的坡口，在焊接前预热和层间温度条件为：焊接前的TIG参数为180℃，一小时，SMAW预热为200℃，一小时，层间温度为250℃，其焊接材料为MTS616。TIG焊丝的直径为2.5mm，而SMW的焊丝直径为3.2mm。其焊接工艺规范为小线能量多层多道薄层焊接，同时焊接线的能量控制为每厘米15千焦。

完成p92钢焊完之后，将焊缝冷却到100℃，会发生明显的马氏体转变，并且存在大量位错和析出过饱和碳原子，其硬度能够达到450HV，具有较强的脆性，因此无法直接使用，需要进行回火处理，在回火中析出碳化物后能够降低位错密度，使得回火马氏体具有良好的力学性能，采用履带式加热器进行焊后热处理，其功率为25千焦。在筒体外壁包裹利用石棉进行保温处理，在外表面焊缝上布置测温热电偶，当温度达到300℃时，按照控制加热速度和冷却速度，焊后热处理需要保持四小时，760℃，恒温焊后处理步骤具体为：焊后冷却达到90℃时，保温两小时，完成焊接接头全马氏体转变，达到所需的保温时间后需要进行四小时，760℃的高温回火，带保温棉冷却到室温二次冲击试验箱式炉回火，温度为两小时，770℃。随炉缓冷。

二、实验结果分析

首先比较焊缝内外层冲击吸收能量来看，在焊缝厚度上有两层冲击试样，需要分析内、外层各五个实验进行检测取样位置如下图所示。

通过结果我们发现对于外层五个实验的冲击能量吸收分别为54，52，31，51，60焦耳，平均为50焦耳，而内层冲击吸收能量分别为53，26，21，13，64焦耳，平均为35焦耳，下图为内层冲击吸收量分别达到12焦耳和64焦耳的断口形状，均属于穿晶断裂，存在显著的塑性形变，韧窝和撕裂棱，当冲击能量为12焦耳时，此时断口的窝和撕裂棱较少，当冲击吸收能量为60焦耳时， 此时存在较多的断口韧窝和撕裂棱。在本次研究中，我们发现相比内、外层冲击吸收能量来说，内层平均值要低于外层，在其他条件保持不变的情况下，内外层出现显著的冲击吸收能量差异可能是由于焊后热处理温度不均匀导致的。通过比较二次高温回火之后的冲击能量来看，为了能够消除焊后热处理对于样品产生的影响，我们需要在焊缝厚度上按照两层区冲击实验在热处理炉中完成二次高温回火，能够将样品在箱式热处理炉中保温两小时，温度加热到770℃，然后随炉缓冷，当冷却至室温之后进行冲击实验，结果发现对于外层五个样品来说其冲击吸收能分别为53，61，57，51，80焦耳，平均为60焦耳，而内层五个实验冲击吸收能量为48，65，68，79，68焦耳，平均为65焦耳。通过结果发现经过二次高温回火之后，样品的焊缝冲击吸收能量提高，同时内、外焊缝的冲击吸收能量差异不明显，基本能够消除焊后热处理温差导致的冲击吸收能量差异。从焊接接头断面硬度情况上来看，对于管道进行焊后热处理时会沿着壁厚形成外高内低的温度梯度，由于焊后热处理过程中很难进行内壁测温，因此无法准确获得内、外壁的温度差值，但经过焊口热处理之后，为能够分析样品的焊接效果，我们可以从其接头断裂硬度来间接分析，如下图所示。

上图为p92钢焊接接头的硬度分布情况，从该结果我们发现焊缝的焊缝内层硬度相比外部来说要明显升高，说明在焊后处理下存在外高内低的问题。而测温热电偶布置在外表面上，当温度达到预定值，并且保温时不会出现温度差，此时内存温度低，内层焊接热处理之后，相比外层来说效果不好，进而会导致外层样品的冲击吸收能量高于内层。

三、讨论

我们通过p92钢材中的碳化物，包括W，V，Cr，Nb等，是碳化物形成的元素，对碳具有较强亲和力，溶于马氏体中的碳化物形成元素，进而会阻止碳从马氏体析出，因而使得马氏体分解过程比较缓慢，在碳钢中，实际所有碳从马氏体析出温度可以达到250℃以上，在含碳化合物形成元素的钢中，这一过程将会提升到更高温度，因此p92钢焊接金属回温温度较高，同时还需要保留一段时间，进一步能够充分析出碳化物，如下图所示是p92钢的焊缝组织，我们通过该图片可以发现，p92钢焊缝金属是粗大的马氏体组织，同时在焊缝金属中碳化物弥散分布于晶内和晶界，且所析出的细小颗粒分布于基体中，能够阻止合金出现位错运动，产生显著强化作用，当位错绕过粒子运动时其阻力增加，会在粒子周边形成位错，这种位错还会增加并继续发生变形，使需要额外增加较大的应力，使金属的变形抗力进一步提升。完成P92钢的焊接之后，需要进行现场的焊后热处理，由于加工工件比较厚，因此当温度达到预定，加工要求之后需要进行保温，在工件厚度上形成内外的温度梯度，同时构件的内温低，外温高形成一种动态平衡，在原热处理的情况下，由于构件的内壁焊缝组织回火不充分，主要表现于焊缝松动，硬度相比外壁来说要高，同时内部的冲击吸收能量低。

材料缺口冲击功是由裂纹形成功和拓展功共同构成的，材料的化学成分和实验条件确定之后，其缺口冲击韧性是由材料晶粒和行为组织因素影响的。随着焊后热处理温度提高，p92钢焊缝中碳，氮元素合金元素析出，固溶强化作用能够逐渐形成沉淀强化作用，强度降低，提高塑性，同时冲击样品断口的纤维区域变宽，裂纹形成功增加。p92钢焊缝冲击样品中裂纹拓展其阻力来源于马氏体柱状晶体以及板条束界。随着焊后热处理温度提高，其大小断面连接处的撕裂棱变形增加，说明对裂纹拓展时所消耗的塑性变形和拓展功也有所增加。同时，裂纹形成和拓展功的提高也使得焊缝冲击功随热处理温度增大而增加。除此之外，研究学者表明有效控制焊接工艺，能够防止晶内马氏体板条束过度增长，原柱状晶中过度增长，进一步能够提高p92钢焊缝冲击韧性。

小结

我们通过p92钢厚壁管焊口处理导致的内、外温度梯度，对于冲击性能进行分析来说，说明焊后热处理对于冲击吸收能量具有十分重要的作用，同时外层比内层的冲击吸收能量高。对P92钢厚壁管焊后热处理之后，经过二次高温回火之后能够明显提升焊缝内、外层的冲击吸收能量，同时内、外层的能量值差别不大。对p92钢进行现场焊后热处理时，需要强化对于内外的温度监测以及样品的保温，能够尽量降低内外壁的温差，进一步使焊缝组织获得充分的回火处理。

参考文献：

[1]徐忠峰， 王淦刚， 鲁立， et al. 焊后热处理对P92钢焊接接头显微组织和力学性能的影响[J]. 金属热处理， 2019， 44（1）：148-151.

[2]魏玉忠， 刘天佐， 尹少华， et al. 中频感应热处理对SA335-P92钢焊接接头组织和力学性能的影响[J]. 热加工工艺， 2018（11）.

[3]杨文佳， 樊继理. P92钢焊接接头多次热处理性能试验研究[J]. 山东工业技术， 2019（1）.