坡口角度对P91管道TIG自动焊对接接头组织及 力学性能的影响

徐伟，冯英超，刘金平，吴闯

1.中国核工业二三建设有限公司霞浦示范快堆项目部 北京 102401

2.核工业工程研究设计有限公司 北京 101320

1 序言

P91钢是采用细晶化、微合金化冶金，以及控轧、控冷等工艺开发的一种新型马氏体耐热钢[1]。坡口角度是影响焊缝成形、焊接稀释率、熔合区形状的一个重要焊接工艺因素，甚至还影响焊接电弧的稳定性[2]。本文通过金相组织分析及力学性能试验，研究了不同坡口角度条件下接头的金相组织及力学性能，并对不同坡口形式下焊接效率进行分析，为后续P91管道自动焊的效率提升提供依据。

2 试验材料和试验方法

2.1 试验材料

母材采用SA355-P91材质、尺寸为φ406.4mm×40.49mm的管道。主要化学成分及力学性能见表1、表2[3]。

试验用焊接材料为GB/T 8110—2016《小型水电站机电设备导则》规定的φ1.0mm的ER62-B9焊丝，其主要熔敷金属力学性能见表3。

表3 ER62-B9熔敷金属力学性能

2.2 试验方法

试验采用U形坡口，三组试件坡口角度主要为7°、20°、30°，如图1所示。坡口由机械加工而成，焊前用砂轮机对坡口进行修磨，保证无油污及其他杂质。采用焊条电弧焊或TIG焊焊接打底焊道，焊接3mm以上后进行自动焊填充、盖面，并全程采用相同的焊接参数。

图1 三组试件坡口示意

试验采用自主研发的管道TIG自动焊设备，焊接位置为立焊，保护气体为99.99%Ar，全程气体流量为50～60L/min。自动焊填充、盖面焊接参数见表4。

表4 自动焊填充、盖面焊接参数

焊接完成后立即进行热处理，首先将试件温度降低至90℃保温2h进行马氏体转变[4]，再升温至760℃保温4h[5]，而后随炉冷却降至室温完成热处理。焊接设备、焊接过程及焊接成形如图2所示。

图2 焊接设备、焊接过程及焊接成形

2.3 焊道排布情况

3组试件均采用多层多道焊方式开展焊接作业。具体焊道排布见表5。

表5 焊道排布

3 试验结果与分析

在3组试件的相同焊接位置处截取试样，从自动焊填充区域取样，分别进行金相、冲击、硬度及拉伸试验，得到不同坡口角度下焊后接头及热影响区显微组织和力学性能，并对试验结果进行对比。

3.1 坡口角度对焊缝组织的影响

3组试样的显微组织如图3所示。采用ER62-B9焊接的P91管道接头组织均为回火马氏体+少量δ铁素体，马氏体呈板条状。

图3 P91钢焊缝组织（200×）

3组试件视场内组织均匀连续，未发现过热粗大组织。但坡口角度7°的焊缝组织马氏体形态最为细小，其余两个试件组织形态及大小接近。视场内δ铁素体含量随坡口角度增大有增加的趋势。

3.2 坡口角度对冲击性能的影响

3组试样的常温冲击试验结果如图4所示。由图4可知，随着坡口角度的增大，焊缝区及热影响区冲击吸收能量随之增加。

图4 常温冲击试验结果

3.3 坡口角度对硬度的影响

3组试样的硬度试验结果见表6，包括焊缝区、热影响区、焊脚区、母材区。由表6可见，坡口角度的变化对焊缝区、热影响区硬度值基本无影响，可知TIG自动焊对硬度影响相对较小，影响P91材质焊缝区、热影响区硬度的主要因素为热处理过程；焊脚区、母材区硬度值存在一定的差异，应是母材本身硬度原因导致。

表6 3组试样的硬度试验结果

3.4 坡口角度对抗拉强度及屈服强度的影响

3组试样的拉伸试验结果如图5所示。由图5可知，在常温拉伸试验中抗拉强度随坡口角度的增加而增加，但整体变化范围不大，均高于母材585MPa的规定值；在525℃高温拉伸试验中，抗拉强度基本不随坡口角度的变化而变化，但其屈服强度值变化较为明显，其中20°坡口屈服强度最大，随坡口角度的增加呈现先上升后下降的趋势。

图5 拉伸试验结果

4 焊接效率对比分析

由于每道焊缝焊接速度相同，填充焊道每道焊接时间约为20min，组对预热时间约为4h，每道焊缝焊前准备时间约5min。当层间温度超过250℃后需冷却至200℃，然后再继续开展焊接作业。其有效焊接时间及实际完成时间对比见表7。

表7 有效焊接时间及实际完成时间对比

由表7可知，随坡口角度增加，有效焊接时间占比呈下降趋势，因此增加坡口角度不利于TIG自动焊效率的提高。

5 结束语

1）采用ER62-B9焊丝焊接P91管道，其焊缝组织为回火马氏体+少量δ铁素体。

2）随坡口角度增加，焊缝冲击吸收能量、常温抗拉强度有所提高，硬度和高温抗拉强度无明显变化。

3）对于不同坡口角度的力学性能进行综合分析，其冲击吸收能量、硬度、抗拉强度均远高于母材规定值，满足ASME标准要求。

4）在一定范围内减小坡口角度，可有效提高TIG自动焊焊接效率。