T/P92鋼焊條的研制及其性能測試研究

(1.機械科學(xué)研究院 哈爾濱焊接研究所,哈爾濱 150028; 2.中國電建集團上海能源裝備有限公司,上海 201316)

T/P92鋼焊條的研制及其性能測試研究

呂天民1李連勝1公茂濤2

(1.機械科學(xué)研究院哈爾濱焊接研究所,哈爾濱150028; 2.中國電建集團上海能源裝備有限公司,上海201316)

對研制的T/P92鋼配套焊條進行部分性能測試并對結(jié)果進行分析和探討。試驗結(jié)果表明，焊條熔渣的物理和化學(xué)參數(shù)具有理想的焊接工藝性能，PP-R727焊條的熔敷金屬的力學(xué)性能均能滿足工程要求，水銀法測得PP-R727焊條的熔敷金屬的擴散氫含量為2.1 mL/100 g，達到超低氫焊條水平。另外，測得PP-R727焊條熔敷金屬的奧氏體轉(zhuǎn)變開始溫度AC1為795 ℃。通過斜Y形坡口試驗，測得PP-R727焊條的冷裂紋止裂預(yù)熱溫度為150 ℃。SEM分析結(jié)果表明，焊條熔敷金屬在高溫下具有良好的塑性和抗氧化性。

T/P92鋼焊條性能測試

0 序 言

為減少有害、溫室氣體的排放量，火力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的趨勢是采用超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)以提高蒸汽參數(shù)來提升火電機組的熱效率[1-2]。超超臨界發(fā)電技術(shù)苛刻的蒸汽參數(shù)需要鐵素體耐熱鋼具有良好的力學(xué)性能和抗氧化性能，因此研制新型高鉻鋼成為發(fā)展超超臨界機組的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。T/P92鋼是在T/P91鋼的基礎(chǔ)上添加1.8%W元素，適當(dāng)減少0.5%Mo馬氏體耐熱鋼，適用于蒸汽溫度在580～620 ℃的超超臨界機組高溫受熱面和主蒸汽管道等關(guān)鍵部件。與T/P91鋼相比，T/P92鋼的高溫蠕變斷裂強度提高了25%～30%，在600 ℃/1.0×105h的持久強度達到130 MPa；與奧氏體高溫耐熱鋼相比，T/P92鋼具有焊接性能好，熱膨脹系數(shù)小，抗疲勞性能好以及價格便宜的優(yōu)點。與9Cr系列的其余常用耐熱鋼相比，T/P92鋼耐高溫腐蝕和抗氧化性能相似，但高溫強度和蠕變性能大大提高。

隨著超超臨界火電機組的不斷建設(shè)，T/P92鋼必將得到廣泛應(yīng)用，且國產(chǎn)T/P92鋼的顯微組織、力學(xué)性能及高溫蠕變持久性能等方面均達到與國外同類鋼種基本相當(dāng)?shù)乃健５壳癟/P92鋼配套使用的焊接材料主要依賴進口，日本神鋼、歐洲伯樂-蒂森、奧林康、曼徹特、美國哈伯特等公司。國內(nèi)的一些企業(yè)如大西洋焊接材料股份有限公司、天泰公司、寶鋼研究院等均在積極研發(fā)T/P92鋼的焊條、TIG焊絲、埋弧焊材。

文中的研究內(nèi)容對實現(xiàn)T/P92鋼焊條的國產(chǎn)化、打破高端進口焊接材料的壟斷、滿足國內(nèi)電站建設(shè)需要具有重大意義。

1 試驗材料及方法

1.1 試樣材料

將所研制T/P92鋼配套使用的焊條命名為PP-R727，熔敷金屬化學(xué)成分符合AWS 5.5 E9015-B92標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到焊縫金屬化學(xué)成分的均勻性以及力學(xué)性能的穩(wěn)定性，焊條在研制時采用焊芯過渡為主的形式，其中焊芯選用H08Cr9WMo。焊條藥皮設(shè)計采用超低氫鈉型，利用正交法反復(fù)試驗，最終調(diào)配出工藝性能理想的配方。焊條熔敷金屬以及焊芯化學(xué)成分見表1。

表1 熔敷金屬及焊芯化學(xué)成分(%)

1.2 試驗方法

焊縫全熔敷金屬的常規(guī)力學(xué)性能測試試樣在制備時，采用母材為15CrMo的鋼板，為防止母材對焊縫的稀釋，事先在母材坡口上堆焊焊縫金屬隔離層(厚度≥3 mm)。焊接試板測試按照GB/T 5118—2012《熱強鋼焊條》規(guī)定進行。焊接規(guī)范及焊后熱處理工藝制定如圖1所示[3-4]。

圖1 焊縫熔敷金屬焊后熱處理工藝

對熔敷金屬完成以下試驗：

(1)常溫力學(xué)性能進行測試。

(2)采用水銀法按照ISO 3690：2012標(biāo)準(zhǔn)測高溫短時高溫下斷口形貌；測定焊條熔敷金屬的擴散氫含量。

(3)利用Formastor-F Ⅱ全自動相變儀測定熔敷金屬的相變點。

(4)采用斜Y形坡口測定焊條的焊接冷裂紋敏感性。

(5)利用SEM分析測試焊條熔敷金屬高溫短時高溫下斷口形貌。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 焊條熔渣的物理化學(xué)性質(zhì)

熔渣的熔點主要取決于熔渣的化學(xué)成分。一般焊條熔渣的熔點較熔敷金屬的熔點低200～450 ℃[5]，研制的PP-R727焊條熔渣熔點約為1 250 ℃(如圖2中A區(qū)域范圍)，比PP-R727熔敷金屬的熔點約低200～250 ℃，保證該焊條具有較好的全位置焊工藝性能。

圖2 CaF2-CaO-SiO2渣系圖[12]

熔渣粘度對熔渣保護效果、焊接操作性、焊縫成形、熔池中氣體逸出等有顯著影響。參照熔渣粘度計算方法[6]，PP-R727熔渣粘度在1 500 ℃左右時為0.6～0.8 Pa·s，適合全位置焊接的要求。

熔渣堿度是判斷焊接熔渣堿性強弱的指標(biāo)。按照國際焊接學(xué)會推薦的關(guān)于熔渣堿度計算公式[5]，熔渣堿度值為BIIW=1.98，熔渣為高堿度堿性渣。高堿度有利于焊縫金屬中夾雜物的凈化以及溶解氧、擴散氫的降低，從而提高焊縫金屬的力學(xué)性能。

2.2 熔敷金屬力學(xué)性能及擴散氫含量測試

表2是對焊條PP-R727熔敷金屬的常溫力學(xué)性能試驗結(jié)果。由表中力學(xué)性能數(shù)據(jù)可知，研制的焊條和焊絲熔敷金屬常溫力學(xué)性能均能滿足AWS E9015- B92要求。

測定焊條PP-R727熔敷金屬的擴散氫含量為2.1 mL/100 g，達到了低氫焊條的要求(≤5 mL/100 g)。

2.3 熔敷金屬的臨界轉(zhuǎn)變溫度測定

利用全自動相變儀對研制的焊條PP-R727熔敷金屬臨界轉(zhuǎn)變溫度進行測定，結(jié)果如表3所示。其中PP-R727熔敷金屬的奧氏體轉(zhuǎn)變開始溫度AC1=795℃，而焊后熱處理溫度選擇760 ℃，焊后熱處理溫度比AC1低25 ℃，保證了熔敷金屬在焊后熱處理過程中不至于發(fā)生奧氏體相變，產(chǎn)生未回火馬氏體，導(dǎo)致焊縫組織的變化引起的焊接接頭性能降低。

2.4 焊條焊接冷裂紋敏感性試驗

采用斜Y形坡口試驗測定PP-R727焊條的冷裂紋敏感性。試板取自SA335 P92鋼管(φ559 mm×102 mm)，尺寸為200 mm×80 mm×30 mm。

設(shè)置預(yù)熱100 ℃,130 ℃,150 ℃和200 ℃四組溫度進行試驗，試板焊后靜置一定時間后進行外觀檢查并解剖成試片，計算表面和根部的裂紋率以評價裂紋的敏感性。表4是PP-R727焊條焊接冷裂紋敏感性測試結(jié)果。

由表4中數(shù)據(jù)可知，P92試板在預(yù)熱100 ℃和130 ℃后用研制的PP-R727匹配焊接時，在焊接接頭位置均全部產(chǎn)生裂紋，故在較低的預(yù)熱溫度情況下，焊條的焊接冷裂紋敏感性較大。當(dāng)預(yù)熱溫度達到150 ℃和200 ℃后，焊接接頭未發(fā)現(xiàn)裂紋，此時表現(xiàn)出了理想的抗冷裂能力。根據(jù)冷裂紋敏感性測試，PP-R727焊條與P92鋼進行匹配焊接時，其預(yù)熱溫度應(yīng)至少大于150 ℃。

表2 熔敷金屬的常溫力學(xué)性能及擴散氫含量測試結(jié)果

表3 熔敷金屬及P92鋼管臨界轉(zhuǎn)變溫度測定結(jié)果

表4 PP-R727焊條焊接冷裂紋敏感性測試結(jié)果

2.5 熔敷金屬高溫拉伸性能及SEM分析

PP-R727焊條熔敷金屬高溫力學(xué)性能測試結(jié)果如表5所示。在SEM下觀察了φ3.2 mm焊條高溫斷口組織，熔敷金屬高溫拉伸斷口是粗糙且不規(guī)則的，發(fā)生了明顯的宏觀變形，屬于韌性斷裂；兩個溫度下的斷口均沒有明顯的氧化變色的現(xiàn)象，如圖3～4所示。從斷裂棱邊的走向看出，斷面為多點起裂的撕裂斷口，而650 ℃的斷口面相比600 ℃更為平整，起裂點變少，在掃描電鏡下觀看，兩者微觀形貌基本一致。

表5 熔敷金屬的高溫力學(xué)性能

圖3 R727熔敷金屬不同拉伸溫度的宏觀及微觀斷口形貌

圖4 第二相粒子能譜分析(SEM)

3 結(jié) 論

(1)PP-R727焊條熔渣的熔點、粘度物理參數(shù)反映出焊條具有理想的焊接操作性。

(2)焊條熔敷金屬力學(xué)性能均滿足要求。

(3)焊條PP-R727熔敷金屬擴散氫含量為2.1 mL/100 g，達到超低氫焊條水平。

(4)PP-R727熔敷金屬的AC1=795 ℃，采用760 ℃的熱處理溫度不會改變焊縫組織及性能。

(5)PP-R727焊條焊接冷裂紋止裂預(yù)熱溫度為150 ℃，說明PP-R727具有理想的抗冷裂能力。

(6)SEM測試顯示焊條熔敷金屬高溫下有良好的塑性和抗氧化性。

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TG457.11

2017-07-17

T/P92鋼焊材研發(fā)項目(201510703)

呂天民，1988年出生，碩士，助理工程師。主要從事焊接材料研發(fā)及焊接工藝探究，已發(fā)表文章1篇。