影響P92鋼焊縫沖擊韌性的焊接工藝

（中國能源建設(shè)集團 安徽電力第二工程公司汽機安裝公司，安徽 合肥 230088）

影響P92鋼焊縫沖擊韌性的焊接工藝

杜 軍

（中國能源建設(shè)集團 安徽電力第二工程公司汽機安裝公司，安徽 合肥 230088）

P92鋼是新型鐵素體耐熱鋼，已廣泛應(yīng)用于超（超）臨界燃煤發(fā)電機組。相比其他鐵素體耐熱鋼，P92鋼具有更高的高溫強度和蠕變性能，其抗熱疲勞性、熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱膨脹系數(shù)遠優(yōu)于奧氏體不銹鋼，抗腐蝕性和抗氧化性優(yōu)于其他9%Cr的鐵素體耐熱鋼。P92鋼的焊接技術(shù)已較為成熟，但其焊接接頭易出現(xiàn)焊縫沖擊韌性偏低的問題。影響P92鋼焊縫金屬沖擊韌性的主要因素是焊接熱輸入。細焊條、薄焊層、多層多道焊，適當?shù)念A(yù)熱溫度、層間溫度，足夠的高溫回火溫度和恒溫時間，是保證焊縫沖擊韌性的有效措施。

P92鋼管；焊接工藝；沖擊韌性；焊接熱輸入；馬氏體

1 P92鋼的性能分析

SA335P92鋼是在P91鋼的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種新型鋼種[1]。P92鋼在P91鋼的基礎(chǔ)上適當降低鉬含量（0.5%Mo），同時加入一定量的鎢（1.8%W），將材料的鉬當量（Mo+0.5W）從 P91鋼的 1%提高到約1.5%，并加入了微量的硼，是一種新型的可焊的細晶強韌化的馬氏體鋼。P92鋼物理性能良好，與P91鋼相比，具有更高的高溫蠕變斷裂強度、優(yōu)異的常溫沖擊韌度、優(yōu)良的抗氧化性、焊接裂紋敏感性低于傳統(tǒng)的鐵素體耐熱鋼低等性能優(yōu)點。

但P92鋼具有明顯的時效傾向，在3 000 h時效后，其韌性下降許多，沖擊功從時效前的約220 J降低到約70 J。在3 000 h以后，沖擊功繼續(xù)下降的傾向不明顯，沖擊功將穩(wěn)定在時效3 000 h的水平[2]。時效傾向發(fā)生在550℃～650℃范圍內(nèi)，這個溫度范圍正是該鋼的工作溫度范圍。母材具有明顯的時效傾向，與母材成分相近的焊縫也同樣的傾向。

同時，由于P92是細晶粒鋼，通過焊接熱循環(huán)過程的焊縫金屬是從溫度非常高的熔融狀態(tài)冷卻下來的鑄造狀粗晶結(jié)構(gòu)，晶粒得不到細化，破壞了鋼在細晶粒組織結(jié)構(gòu)下獲得的機械性能，使得焊縫金屬的沖擊韌性降低。另一方面，為鋼的熱強性而增加的微量金屬鎢（W）也促進了焊縫沖擊韌性的降低。

為了避免焊縫金屬時效后的韌性降低，提高焊縫金屬時效前的原始韌性，為時效留出足夠的余量，是解決焊縫金屬時效后韌性不足的有效途徑。提高焊縫沖擊韌性是焊接工藝設(shè)計的關(guān)鍵因素。

2 影響焊縫沖擊韌性的因素

P92鋼經(jīng)過連鑄、控制、軋制等特殊精煉技術(shù)鑄造成的細晶強韌化的馬氏體鋼，具有較高的沖擊韌性和高溫強度。同時母材中為提高抗蠕變能力和降低δ鐵素體的敏感性，在冶金過程中加入的V、Nb、W等合金元素，沉淀強化以極細顆粒彌散析出的V、Nb、W碳化物高度細化晶粒。而P92鋼的焊縫金屬在其熔敷成型及冷卻過程中形成了鑄造狀的粗晶結(jié)構(gòu)，沒有經(jīng)過TMCP過程（Thermal-Mechanical Control Process）即熱控軋加工過程，晶粒得不到細化，并且焊縫金屬由于熔池的高溫及快速凝固冷卻，少量的V、Nb、W等微量合金元素沒有以碳化物細化晶粒來韌化焊縫，反而固熔在基體內(nèi)，沒有機會充分析出，降低了焊縫的韌性。

安徽電力第二工程公司汽機安裝公司通過焊接工藝評定，根據(jù)P92焊接接頭存在焊接冷裂紋、焊縫金屬韌性低、Ⅳ型裂紋等問題[3]，研究其產(chǎn)生的原因及防范措施。提出晶粒越細、晶界越多，金屬的沖擊韌性越高。為提高P92鋼焊接性接頭的沖擊韌性，采用了降低焊縫金屬晶粒大小的焊接工藝。實踐證明，采用較小的焊接線能量、嚴格控制層間溫度及采用合適的熱處理規(guī)范，有利于獲得良好的P92鋼的焊接質(zhì)量[4]。

2.1 預(yù)熱

P92鋼在正火+回火狀態(tài)下使用，組織為回火馬氏體。因P92鋼的C、S、P等元素含量低，純凈度高，具有較高的韌性，使其焊接冷裂紋傾向大為降低，但由于鋼在焊接狀態(tài)下馬氏體組織硬度高、韌性低，為了提高焊縫金屬的韌性和防止冷裂紋的產(chǎn)生，焊接時應(yīng)采取一些必要的預(yù)熱措施。

預(yù)熱可適當降低焊接殘余應(yīng)力，減緩馬氏體轉(zhuǎn)變時的冷卻速度，有利于焊縫金屬中擴散氫的逸出，避免產(chǎn)生氫致裂紋，同時也減少焊縫及熱影響區(qū)的淬硬程度，提高焊接接頭的抗裂性。P92鋼的合金含量超過10%，預(yù)熱對提高其接頭性能非常重要。

預(yù)熱溫度應(yīng)該高于P92鋼Y型焊接性試驗的止裂溫度。GTAW的預(yù)熱溫度為100℃～150℃；SMAW的預(yù)熱溫度為200℃～250℃。

2.2 層間溫度

控制層間溫度可以保證焊接接頭的沖擊韌性，提高其高溫蠕變強度。為了獲得滿意的沖擊韌性，宜采用低焊接輸入熱量的焊接工藝，使層間溫度保持在200℃～250℃，較高的層間溫度會導(dǎo)致焊縫金屬的沖擊韌性降低。

2.3 焊接熱輸入

實踐證明，焊件輸入熱量對焊接接頭的沖擊韌性有較大影響，焊件輸入熱量越大，焊接接頭的沖擊韌性越低。焊接線能量過大可能導(dǎo)致焊接接頭在高溫區(qū)間停留時間過長，造成焊縫中出現(xiàn)δ相，800℃～500℃區(qū)間停留時間過長造成焊縫組織粗大，均會影響焊縫金屬的沖擊韌性[5]。

正常焊接過程中，電弧電壓穩(wěn)定，焊接線能量主要受焊接電流和焊接速度的影響。焊接電流以鐵水流動適宜、熔池清晰、熔和良好為前提，焊接速度在實際焊接操作中不易測量，但焊層厚度和焊道寬度是焊接線能量的直觀反映[6]，焊接過程中可通過控制和測量焊層厚度來有效控制焊接線能量。

在P92鋼焊接過程中，以低熱輸入為原則，選擇薄層、窄焊道、多層多道的焊接工藝，找出了提高P92鋼焊條電弧焊焊縫沖擊韌性的方法。細焊條、窄道多道焊的沖擊韌性較高；擺焊的、薄焊道的沖擊韌性較高；橫焊的沖擊韌性較高；一層二道的窄間隙焊的沖擊韌性較高；多層多道焊的沖擊韌性較高。

P92鋼厚壁管焊接時，采用多層多道焊，焊層盡量薄，存在著后焊焊道對先焊焊道的再熱作用，使先焊焊道的一部分柱狀晶形成細晶，晶粒越細，焊縫金屬的韌性越強。焊接工藝試驗表明，焊層厚度控制在3 mm以下，焊縫的沖擊韌性滿足標準要求，焊層厚度達到4 mm，焊縫的沖擊韌性達不到標準要求。顯微組織分析，焊層厚度3 mm時，焊縫組織為回火馬氏體；焊層厚度4 mm時，焊縫組織為回火馬氏體伴隨少量鐵素體，致使焊縫韌性降低。

2.4 焊接熱處理

實驗結(jié)束表明，焊后熱處理對焊縫金屬的沖擊韌性影響極大[7]，足夠的高溫回火溫度和恒溫時間才能保證焊縫的力學性能達標。

根據(jù)CCT曲線，P92鋼的AC1溫度在800℃～850℃，根據(jù)熱處理工藝原則，回火溫度應(yīng)低于Ac1溫度，即800℃。為此，在P92鋼管焊接接頭上做了730℃和760℃焊后熱處理的對比實驗，研究不同熱處理溫度對焊接接頭組織和力學性能的影響。

焊縫經(jīng)外觀、無損檢測合格，回火溫度分別在730℃和760℃時拉伸、彎曲實驗均符合標準要求，但在硬度檢測中發(fā)現(xiàn)，回火溫度760℃時，焊縫位置及熱影響區(qū)均低于標準的250HBW；回火溫度730℃時，焊縫位置及熱影響區(qū)均高于標準的250 HBW；不論是母材、焊縫、熱影響區(qū)，隨著回火溫度的降低，試件的硬度值逐漸升高。

回火溫度的提高雖造成焊接接頭硬度下降，但隨著碳氮化合物的析出，焊縫的韌性得到改善。這是因為焊縫是由熔融狀態(tài)的金屬以極快的速度冷卻至室溫的鑄造組織，在冷卻過程中，焊縫熔敷金屬中的Nb、V等微量元素來不及以碳和氮化合物的形式析出，而以固溶的形式存在于焊縫金屬中，提高了焊縫的硬度，降低了焊縫的韌性。但當回火溫度高于720℃時，組織中的Nb、V等微量元素逐漸以碳和氮化合物的形式析出，并隨著回火溫度的提高，碳和氮化合物析出越充分。760℃時是適宜的回火溫度，繼續(xù)提高回火溫度會導(dǎo)致焊接接頭的性能惡化。

對于P92鐵素體耐熱鋼，為防止冷裂紋的產(chǎn)生，焊后不能立即升溫進行回火熱處理，焊后必須冷卻至80℃～100℃并恒溫2 h，待馬氏體轉(zhuǎn)變完全后才能做后熱處理。一方面達到完全地消除組織中未完全轉(zhuǎn)化的奧氏體，另一方面有利于氫擴散逸出。

為保證P92鋼大徑厚壁管焊縫根部的沖擊韌性，要求熱處理過程中其內(nèi)、外壁溫差不能高于20℃，在生產(chǎn)實踐中，公司采用了獨創(chuàng)的，獲得國家專利的內(nèi)封堵熱處理工藝，極大程度上保證了大徑厚壁管焊接接頭根部焊縫金屬的韌性。

2.5 時效傾向

P92鋼具有明顯的時效傾向，在3000h時效后，其韌性和沖擊功下降許多。時效過程中，Cr、W、Mo等合金元素與Fe、Mn、Si形成金屬間化合物Laves相，導(dǎo)致韌性下降。

與母材成分相近的焊縫也具有同樣的傾向，為了確保時效后焊縫韌性保持在要求水平，時效前焊縫的原始韌性必須有充分的富裕量。

2.6 熱影響區(qū)Ⅳ型裂紋

P92鋼存在焊接接頭熱影響區(qū)“第四類”軟化區(qū)的行為，焊接接頭經(jīng)長期運行后，斷裂在遠離焊縫區(qū)的軟化帶，此軟化帶強度明顯降低，這是因為在熱影響區(qū)的細晶區(qū)析出相的粗化程度要比母材和熱影響區(qū)粗晶區(qū)大得多，易促進蠕變空洞成長，形成Ⅳ型裂紋。

為了控制Ⅳ型裂紋，在保證焊接熔化良好、不產(chǎn)生焊接冷裂紋的基礎(chǔ)上，盡量不采用過高的預(yù)熱溫度及層間溫度，不采用過大的焊接線能量，采取多層多道焊并避免過厚的焊道，努力使熱影響區(qū)軟化帶變得狹窄，縮小其影響。

3 結(jié)論

（1）小線能量對保證焊縫金屬韌性有利，用小規(guī)格焊條、小電流、快速連弧焊、薄焊層、多層多道焊，可實現(xiàn)對焊接線能量的控制。

（2）在焊接接頭的形成過程中，采用盡量較小的焊接熱輸入，接近下限溫度范圍的預(yù)熱和層間溫度，保證足夠的高溫回火溫度和恒溫時間，確保小于20℃內(nèi)外壁溫差等措施，可實現(xiàn)提高焊縫沖擊韌性的目的。

（3）實驗結(jié)果表明，焊層厚度3 mm時，焊縫硬度值、沖擊韌性均滿足標準要求；焊層厚度4 mm時，焊縫硬度值超出標準值、沖擊韌性不能滿足標準要求；觀察顯微組織，焊層厚度3 mm時焊縫組織為回火馬氏體，焊層厚度4 mm時焊縫組織為回火馬氏體伴隨少量的δ鐵素體，δ鐵素體的出現(xiàn)降低了焊縫的沖擊韌性。

（4）較小的焊接熱輸入有益于提高焊縫的韌性，從而為高溫時效提供了富裕的韌性儲備。

（5）小的焊接熱輸入減少熱影響區(qū)的尺寸，同是減小了Ⅳ型“軟化區(qū)”的寬度，搞高了焊接接頭的蠕變斷裂強度。

[1]瓦盧瑞克·曼內(nèi)斯曼鋼管公司.T92/P92鋼手冊[A].超（超）臨界鍋爐用鋼及焊接技術(shù)論文集[C].電力行業(yè)電力鍋爐壓力容器安全監(jiān)督管理委員會，2005：285-302.

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Welding process affecting impact toughness of P92 steel weld

DU Jun
（Turbine Installation Company，Anhui Electric Power Second Engineering Co.，CEEC，Hefei 230088，China）

P92steelisanewtypeofferriticheat-resistantsteel，whichhasbeenwidelyusedinultra（ultra）criticalcoal-firedpowergeneration units.Comparedtootherferriticheatresistantsteel，hightemperaturestrengthandcreeppropertiesofP92steel，thethermalfatigueresistance，thermal conductivity and coefficient of thermal expansion is much better than that of austenitic stainless steel，corrosion resistance and oxidation resistance is better than that of other 9%Cr ferritic heat-resistant steel.The welding technology of P92 steel is more mature，but its welding joint is prone to lower toughness.The main factor affecting the impact toughness of P92 steel weld metal is the heat input of welding.Fine welding rod，thin welding layerand multi-layermultipasswelding，properpreheating temperature，interlayertemperature，sufficienthigh temperaturetemperingtemperatureandconstanttemperaturetimeareeffectivemeasurestoensuretheshocktoughnessofweld.

P92 steel；welding process；impact toughness；welding heat input；martensite

TG457.11

B

1001-2303（2017）09-0078-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.09.16

本文參考文獻引用格式：杜軍.影響P92鋼焊縫沖擊韌性的焊接工藝[J].電焊機，2017，47（09）：78-80.

2017-04-10；

2017-06-24

杜 軍（1976—），男，高級工程師，主要從事焊接工作。Email：646875769@qq.com。