T91钢高温过热屏自动焊裂纹分析及工艺确定

赵志明, 夏 静

(1.太原锅炉集团有限公司, 太原 030008； 2.山西医科大学, 太原 030001)

T91钢是以T9钢为基础的,通过降低碳含量、增加合金元素钒和铌、控制氢和铝含量得到的钢种。T91钢不仅具有高的抗氧化性和耐高温蒸汽腐蚀性，而且具有良好的冲击韧性和高稳定的持久塑性和热强度。主要用于制造高温过热器和壁温小于625 ℃的亚临界、超临界锅炉高温再热器钢管。由于T91钢高温过热屏的结构原因，其拘束应力大,焊后易出现连续或断续裂纹。为防止类似缺陷的产生，作者进行了一系列针对性试验，通过接头质量分析，确定了T91钢高温过热屏的焊接工艺。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

选用硫、磷元素含量较高的国内某厂商生产的焊丝和硫、磷元素含量较低的国外某厂商生产的焊丝，分别进行扁钢不开坡口和开K型坡口的T91钢水冷壁自动焊接试验。对所有用于T91钢管排的原材料(母材、焊材)按JB/T 3375-2002《锅炉用材料入厂验收规则》[1]进行理化检验。化学分析试样按ASTM E1806《钢和铁化学成分测定的取样标准实施规程》[2]对表面进行研磨预处理后，再用赛默飞ARL3460型分析仪按ASTM E415《用火花原子发射光谱法分析碳和低合金钢的标准试验方法》[3]进行化学分析，结果见表1 。室温拉伸试验试样按SA-370 《钢制品力学性能试验的标准试验方法和定义》[4]进行制备，使用NCS-GNT300Y型拉伸试验机按ASTM E8M 《金属材料拉伸试验方法》[5]进行室温拉伸试验，结果见表2。使用ZEISS AXIO Vert.A1型金相显微镜分析显微组织，其显微组织均为回火马氏体+回火索氏体。由表1和表2可知原材料符合SA-213/SA-213M《锅炉、过热器和热交换器用无缝铁素体和奥氏体合金钢管子》[6]和SA-387/SA-387M《压力容器用铬-钼合金钢板》[7]的成分分析，焊丝符合SFA-5.28/SFA-5.28M《气体保护电弧焊用低合金钢焊丝和填充丝标准》[8]的成分要求。

表1 试验材料的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of the test materials (mass fraction) %

表2 试验材料的拉伸性能Tab.2 Tensile properties of the test materials

1.2 试验方法

T91钢高温过热屏膜壁采用气体保护单元屏焊接组装。焊接前，对该屏进行全宽、长预热，预热温度200～250 ℃。焊接后，保温棉覆盖慢冷；焊接电流上枪为220～260 A，下枪为200～250 A，焊接速度为650～700 mm·min-1，水冷壁结构如图1所示。

图1 T91钢高温过热屏膜壁结构示意图Fig.1 Schematic diagram of membrane wall structure of T91 steel high temperature superheat screen

2 试验结果与讨论

在相同的焊接参数下进行焊接，采用国内某厂商焊丝，扁钢不开坡口焊接工艺，焊接完成后进行角焊缝磁粉检测，发现焊缝中心出现长度在3～5 m的连续或断续纵向裂纹，如图2所示，裂纹宏观形貌如图3所示，对裂纹进行微观分析，如图4所示。由图2～图4可知，裂纹比较宽，尖端圆钝，不尖细。裂纹边缘平滑，呈直通发展，无微小裂纹短程串接的特征，属热应力裂纹。该裂纹主要因为焊缝金属中收缩应变超过材料变形能力而产生，其力学因素是由于加热和冷却不均匀引起的不均匀热应变和刚性固定引起的应力状态，以及缺口处收缩应变的应力集中。在未焊透间隙，会本能地产生高应力集中，如果焊缝根部存在一些焊接缺陷(夹渣、焊道或气孔)，则应力集中增加，甚至可能出现三维拉伸状态，从而降低断裂功，引起裂纹萌生和扩展。采用扁钢开K型坡口焊接工艺, 焊接完成后进行角焊缝磁粉检测，发现中心出现长度在2～3 m的连续或断续纵向裂纹,如图5所示，裂纹宏观形貌如图6所示，对试样进行微观分析，如图7所示。由图5～图7可知，裂纹沿焊缝中心纵向开裂，焊缝组织为柱状晶，焊接后立即出现裂纹，属于热裂纹也属于结晶裂纹。在焊缝结晶过程中，由于凝固金属收缩导致残余液态金属无法及时填充，所以在应力作用下产生晶间裂纹。焊缝金属中的柱状晶相交中心处出现裂纹并沿中心发展。在焊缝金属凝固后期，低熔点共晶被推到柱状晶相交中心，形成所谓的“液膜”，成为焊缝的薄弱环节。硫、磷、硅等元素与铁形成低熔点共晶。

图2 焊缝纵向裂纹整体形貌(国内焊丝+不开坡口)Fig.2 Overall morphology of longitudinal crack of weld (domestic welding wire+without groove)

图3 裂纹宏观形貌(国内焊丝+不开坡口)Fig.3 Macro morphology of the crack (domestic welding wire+without groove)

图4 裂纹微观形貌(国内焊丝+不开坡口)Fig.4 Micro morphology of the crack (domestic welding wire+without groove)

图5 焊缝纵向裂纹整体形貌(国内焊丝+开K型坡口) Fig.5 Overall morphology of longitudinal crack of weld (domestic welding wire+K-groove)

图6 裂纹宏观形貌(国内焊丝+开K型坡口)Fig.6 Macro morphology of the crack (domestic welding wire+K-groove)

图7 裂纹微观形貌(国内焊丝+开K型坡口)Fig.7 Macro morphology of the crack (domestic welding wire+K-groove)

采用国外某厂商焊丝在相同的焊接参数下进行焊接，焊接工艺为扁钢不开坡口，焊接完成后进行角焊缝磁粉检测，中心未出现纵向裂纹，对试样进行微观分析，如图8所示。焊缝根部出现微裂纹，裂纹主要起源于母材与焊缝交界处，在焊缝根部应力集中的最大部位产生。采用扁钢开K型坡口焊接工艺进行焊接，焊接完成后进行角焊缝磁粉检测，中心未出现纵向裂纹，成型良好，如图9所示，对试样进行微观分析，焊缝及熔合区均未发现微缺陷。

图8 根部微裂纹微观形貌(国外焊丝+不开坡口)Fig.8 Micro morphology of root microcrack (foreign welding wire+without groove)

图9 无裂纹宏观形貌(国外焊丝+开K型坡口)Fig.9 Macro morphology without crack free (foreign welding wire+K-groove)

3 结论

T91钢高温过热屏的最佳自动焊接工艺为，选用低硫、磷含量的焊丝，采用扁钢开K型坡口的焊接工艺。选用低硫、磷含量的焊丝，相比高硫、磷含量的焊丝来说，T91钢高温过热屏的结晶液化裂纹敏感性显著降低了。采用扁钢开K型坡口焊接工艺，相比扁钢不开坡口焊接工艺来说，焊缝根部不易萌生微裂纹。