SA-335P91藥芯焊絲氣體保護焊工藝試驗

（東方電氣集團 東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001）

0 前言

P91鋼是在9Cr-1Mo鋼的基礎(chǔ)上，通過限制碳含量上下限，更加嚴(yán)格控制P和S等殘余元素含量的同時添加了N（0.030%～0.070%）以及微量的強碳化物形成元素V（0.18%～0.25%）和Nb（0.06%～0.10%），以細化晶粒并提高高溫強度，從而形成新型鐵素體耐熱合金鋼。P91鋼具有良好的綜合性能、較高的性價比，在電站行業(yè)的300MW和600MW超臨界鍋爐屏式過熱器集箱、高溫過熱器集箱、高溫再熱器出口集箱等部件上得到廣泛應(yīng)用。

藥芯焊絲氣體保護焊是一種優(yōu)質(zhì)、高效的焊接工藝方法，它具有生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低、易于實現(xiàn)自動化和焊接質(zhì)量高等特點。為了提高集箱的焊接效率和控制焊接變形，鍋爐行業(yè)已于21世紀(jì)初在碳鋼、SA-335P12和12Cr1MoVG等材質(zhì)的集箱管座及其附件的焊接上成功使用藥芯焊絲氣體保護焊工藝，并積累了大量實踐經(jīng)驗。然而，對于P91材質(zhì)集箱，由于藥芯焊絲的研制難度較大，工藝性能和力學(xué)性能難以同時滿足要求，綜合成本較高，只有少數(shù)國外大型焊材供應(yīng)商研發(fā)了此配方。

目前P91藥芯焊絲基本上都是國外大型焊材供應(yīng)商開發(fā)的產(chǎn)品，其焊接工藝性方面及使用方面主要存在以下問題：（1）為了確保力學(xué)性能，渣系偏堿性，造成總體焊接工藝性較差，影響一次探傷率和焊接質(zhì)量。主要表現(xiàn)在：脫渣性較差，且熔渣容易蹦濺；熔池較粘稠，不利于操作者觀察；焊縫表面存在不同程度的壓坑，影響焊縫質(zhì)量；電弧挺度較差，熔深較淺，易導(dǎo)致產(chǎn)生夾渣或?qū)娱g未熔合等。（2）對焊工操作技能要求較高，適應(yīng)性較差。（3）焊接工藝參數(shù)對焊接工藝性和熔敷金屬性能有很大影響，需要進一步試驗以確定最佳匹配關(guān)系。

綜合對比后選擇焊絲E91T1-B9M1（φ1.2 mm）和E91T1-B9M2（φ1.2 mm）作為推廣對象，對其進行了試驗研究。

1 試件制備

為了了解和掌握焊接及熱處理規(guī)范對P91藥芯焊絲接頭性能的影響，驗證接頭性能對焊接和熱處理規(guī)范的敏感性。在充分考慮所選擇焊接及熱處理規(guī)范的合理性，確保試驗結(jié)果的代表性及準(zhǔn)確性的同時，考慮試驗周期以及成本，制定了如表1所示的焊接及熱處理規(guī)范。

采用焊絲 E91T1-B9M1（φ1.2mm）、E91T1-B9M2（φ1.2 mm）分別焊制接頭性能測試試板。試板材質(zhì)為SA-387GR91鋼板，規(guī)格450mm×125mm×25mm，試板坡口如圖1所示。所有試板焊前預(yù)熱200～250℃，層間溫度200～350℃，焊接規(guī)范和試板編號如表1所示。所有試板焊后均進行100%RT+100%MT探傷檢查，按表1對應(yīng)的熱處理規(guī)范進行熱處理，熱處理后按NB/T47014焊接工藝評定的要求進行理化檢驗。

表1 焊接規(guī)范

圖1 試板坡口

2 焊接規(guī)范對焊縫金屬化學(xué)成分的影響

經(jīng)直讀光譜儀和碳硫分析儀測得焊縫金屬化學(xué)成分如表2所示。焊接規(guī)范對兩種焊絲焊縫金屬的化學(xué)成分無明顯影響。除w（N）超出標(biāo)準(zhǔn)上限外，其他元素含量均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。值得注意的是，焊縫的w（Ni+Mn）≤1.2%，對AC1線的上移有一定優(yōu)勢，能在一定程度上降低因?qū)嶋H熱處理溫度波動造成短時間內(nèi)溫度超過AC1點的概率。另外，焊絲E91T1-B9M2 焊縫的 w（Cr）較高、w（Nb）較低。

3 接頭室溫性能[1-6]

按NB/T47014焊接工藝評定標(biāo)準(zhǔn)檢驗焊接接頭及全焊縫室溫力學(xué)性能，拉伸試驗結(jié)果如表3所示，沖擊和硬度試驗結(jié)果如表4所示。

3.1 焊接規(guī)范對抗拉強度的影響

選擇相同熱處理規(guī)范（760℃/4 h）的數(shù)據(jù)進行對比分析，如圖2所示。在760℃/4 h熱處理規(guī)范下，接頭的斷裂位置大部分位于母材；少部分斷裂位置在焊縫上的接頭試樣從數(shù)據(jù)上看強度均明顯低于全焊縫強度，從斷口情況看均有肉眼可見的夾渣存在，這也是造成強度明顯低于其他試樣的原因。因此使用全焊縫強度來評價焊接規(guī)范對焊縫強度的影響。每種焊材的各個全焊縫試樣之間的強度差只有約20MPa，僅占總體強度的2.8%，強度余度很大，焊接規(guī)范對接頭的強度無明顯影響。

表2 焊縫金屬化學(xué)成分%

表3 接頭室溫力學(xué)性能

表4 接頭室溫沖擊功及硬度

圖2 焊接規(guī)范對抗拉強度的影響

3.2 熱處理規(guī)范對抗拉強度的影響

熱處理保溫時間對抗拉強度的影響如圖3、圖4所示。焊后熱處理溫度和保溫時間對焊縫強度的影響較大，隨著熱處理溫度的升高和保溫時間的延長，兩種焊絲全焊縫強度均呈下降趨勢，當(dāng)760℃下的加熱時間超過6 h或進行775℃熱處理時，焊縫強度明顯降低，但焊絲E91T1-B9M1焊縫強度下降程度較大。總體來看，只要采取合適的熱處理規(guī)范，兩種焊絲焊縫的強度均能達到與母材相當(dāng)?shù)乃健?/p>

圖3 熱處理保溫時間對抗拉強度的影響

圖4 熱處理溫度對接頭抗拉強度的影響

3.3 焊接、熱處理規(guī)范對沖擊功及硬度的影響

焊接及熱處理規(guī)范對焊縫沖擊功的影響如圖5所示。大的焊接規(guī)范使兩種焊絲焊縫的沖擊韌性降低，硬度提高；隨著熱處理保溫溫度的升高和保溫時間的延長，兩種焊絲焊縫沖擊韌性都有所提高，相比之下，焊絲E91T1-B9M1焊縫沖擊韌性提高趨勢較大；焊后熱處理保溫溫度和保溫時間對焊縫硬度的影響不明顯，當(dāng)焊后熱處理溫度提高到775℃時，焊縫硬度開始降低，焊絲E91T1-B9M2焊縫硬度下降明顯，出現(xiàn)低于母材的情況。

4 金相組織

4.1 宏觀組織

3種焊接規(guī)范下接頭的宏觀照片如圖6所示，熱輸入對HAZ寬度的影響不明顯。大焊接規(guī)范的焊縫晶粒明顯變得粗大，這也是導(dǎo)致其焊縫沖擊功最低的主要因素。

4.2 微觀組織

3種焊接規(guī)范下接頭的微觀照片如圖7所示。小規(guī)范XPW、XTM焊縫的晶粒較為細小，在焊縫的某些區(qū)域形成了長條狀的δ鐵素體，相較而言，XTM焊縫鐵素體數(shù)量較多，這與其鐵素體形成元素Cr的含量較高有關(guān)。焊縫與母材相比，熔合線附近的晶粒略有長大?？偟膩砜?，由于母材晶粒很細小，HAZ的晶粒長大不顯著。

與小焊接規(guī)范XPW、XTM相比，RPW、RTM雖然焊接規(guī)范增加，但焊縫晶粒尺寸增大并不明顯，δ鐵素體的體積分數(shù)略有增多，且尺寸增大。

大焊接規(guī)范的DPW、DTM與較小焊接規(guī)范的RPW、RTM焊縫相比，其焊縫的晶粒明顯粗大，但δ鐵素體含量明顯減少，HAZ的晶粒長大仍不明顯。

圖5 焊接及熱處理規(guī)范對焊縫沖擊功的影響

圖6 接頭的宏觀照片

使用HXS-1000A型數(shù)字式顯微硬度計測試焊縫組織硬度，載荷100 g，加載時間15 s。焊縫組織硬度測試結(jié)果如圖7所示。白亮鐵素體帶的硬度較低，最低硬度不足200HV，而馬氏體硬度達到317HV，進一步證實了白亮的長條狀組織為δ鐵素體。

圖7 接頭的微觀照片及顯微硬度照片

5 結(jié)論

（1）在保護氣體一定的條件下，焊接規(guī)范對焊縫化學(xué)成分無明顯影響，焊縫w（Ni+Mn）≤1.2%，符合ASME規(guī)范要求。

（2）在相同的熱處理規(guī)范下，焊接規(guī)范對焊縫強度的影響不大，對焊縫的沖擊韌性有一定影響，隨焊接規(guī)范的增大，沖擊韌性呈下降趨勢。

（3）焊后熱處理規(guī)范對焊縫強度的影響較大，隨著熱處理溫度的升高和保溫時間的延長，強度、硬度都呈下降趨勢，焊縫沖擊韌性有所提高，相比之下，焊絲E91T1-B9M1焊縫沖擊韌性提高幅度較大。

（4）焊絲E91T1-B9M1和 E91T1-B9M2焊縫中均觀察到“帶狀”δ鐵素體，應(yīng)與其藥芯焊絲合金元素的均勻性有關(guān)。為避免δ鐵素體的不利影響，改善焊縫性能，應(yīng)確保藥粉本身成分的均勻性及藥粉在焊絲中分布的均勻性，并在不過度降低AC1點的情況下，適當(dāng)增加焊縫中Ni、Mn等奧氏體化元素含量。

（5）焊接電流 220～240 A、電壓 26～30 V，保護氣體 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，流量 15～25 L/min，焊后熱處理規(guī)范為760℃/4 h時，焊絲E91T1-B9M1和E91T1-B9M2接頭的力學(xué)性能最佳。強度有較大的余度，焊縫的室溫沖擊功達到41 J以上，能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

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