R407焊條焊接P91與P22異種鋼接頭焊接性分析

丁玉明，葉建水，朱 平，趙建倉(cāng)

(1. 上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠(chǎng)，上海 200240；2. 蘇州熱工研究院有限公司，蘇州215004)

P22鋼是典型的2.25Cr-1Mo系低合金鉻鉬鐵素體耐熱鋼，在控制C、P、S元素的基礎(chǔ)上加入了Cr、Mo等合金元素，其綜合力學(xué)性能得到了很大提高，具有良好的加工性能和焊接性能，持久塑性好[1-2]。P91鋼是改良型9Cr-1Mo馬氏體耐熱鋼，是600 ℃以下的高溫高壓管道的理想材料，相比于P22具有更好的熱強(qiáng)性和優(yōu)良的綜合性能[3-4]。

隨著電力工業(yè)的不斷發(fā)展，火力發(fā)電廠(chǎng)單機(jī)裝機(jī)容量逐漸增加。在生產(chǎn)制造過(guò)程中，為了充分發(fā)揮高溫管道的材料性能，且為避免材料性能“浪費(fèi)”，會(huì)根據(jù)不同服役工況采用相應(yīng)的材料，因此會(huì)不可避免地面臨異種鋼焊接問(wèn)題。

異種鋼焊接在電廠(chǎng)高溫管道制造中發(fā)揮著重要作用，然而采用異種鋼焊接會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題，例如焊縫化學(xué)成份的稀釋、凝固過(guò)渡層的形成、碳遷移過(guò)渡層的形成和殘余應(yīng)力導(dǎo)致的焊接性能變差等。目前對(duì)于亞臨界和超臨界機(jī)組的主蒸汽管道中使用異種鋼P(yáng)91鋼與P22鋼焊接的研究還不夠深入。因此，解決P22與P91異種鋼的焊接問(wèn)題，對(duì)于火力發(fā)電廠(chǎng)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義。

本文分析了P22與P91異種耐熱鋼的焊接性能，采用R407焊條進(jìn)行焊接，并對(duì)其冷裂紋傾向和不同預(yù)熱溫度下焊接接頭的焊態(tài)組織和硬度進(jìn)行了測(cè)試分析，為P22與P91異種鋼接頭的焊接提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

母材SA335-P22鋼與SA335-P91鋼供貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1和表2所示，顯微組織如圖1所示。P22鋼組織為鐵素體和珠光體，P91組織為回火馬氏體。焊接材料為R407，直徑為4.0 mm，其熔敷金屬的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表3和表4所示[5-6]。

表1 SA335-P91鋼和SA335-P22鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 SA335-P91鋼和SA335-P22鋼的室溫力學(xué)性能

表3 2.25Cr-1Mo型R407焊條熔敷金屬的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表4 2.25Cr-1Mo型R407焊條熔敷金屬的力學(xué)性能

(a) P22鋼顯微組織 (b) P91鋼顯微組織

圖1 SA335-P22鋼與SA335-P91鋼的顯微組織

2 斜Y型坡口冷裂紋試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件及方法

按照原國(guó)標(biāo)GB/T 4675.1-1984《焊接性試驗(yàn)斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》的規(guī)定進(jìn)行斜Y型坡口試驗(yàn)。試件的形狀和尺寸如圖2所示。坡口采用機(jī)械切削加工，焊前R407焊條在350 ℃下進(jìn)行了1 h烘干。焊接參數(shù)如下：直流反接，焊接電流170 A，焊接電壓23～24 V，焊接速度140～160 mm/min。

圖2 斜Y型坡口裂紋試驗(yàn)試件的形狀和尺寸示意圖(單位：mm)

2.2 裂紋檢測(cè)和解剖

焊后試件放置48 h后進(jìn)行裂紋檢測(cè)和解剖。裂紋檢測(cè)采用滲透探傷，采用肉眼和顯微鏡來(lái)檢查焊件表面和斷面上是否有裂紋。根據(jù)檢查結(jié)果計(jì)算表面裂紋率、根部裂紋率和斷面裂紋率。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)是一種冷裂紋試驗(yàn)方法，其焊縫根部的應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)4.7。一般認(rèn)為，裂紋率不超過(guò)20%則焊接結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)冷裂紋[7-8]。

P22與P91鋼斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。從結(jié)果可以得出，在試件室溫下以及預(yù)熱100 ℃時(shí)，表面裂紋率、根部裂紋率和斷面裂紋率均達(dá)到100%，預(yù)熱150 ℃時(shí)裂紋率為零。因此，為了防止異種鋼P(yáng)22和P91鋼焊接產(chǎn)生冷裂紋，焊接時(shí)應(yīng)該預(yù)熱到150 ℃以上。

表5 P22和P91鋼斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果

3 插銷(xiāo)試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)底板選擇P91，規(guī)格為220 mm×220 mm×20 mm。插銷(xiāo)材料為P22，插銷(xiāo)試驗(yàn)參考原國(guó)際GB/T 9446-1988《焊接用插銷(xiāo)冷裂紋試驗(yàn)方法》進(jìn)行。深缺口插銷(xiāo)試樣的缺口深度為1.5 mm，其形狀及缺口如圖3所示。

圖3 插銷(xiāo)試樣及缺口形式簡(jiǎn)圖(單位：mm)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

插銷(xiāo)在不同預(yù)熱條件下(室溫、100 ℃、150 ℃)的斷裂時(shí)間t與初始載荷σ的關(guān)系如圖4所示，所得到的不同預(yù)熱溫度下相應(yīng)的臨界斷裂應(yīng)力σc如表6所示。臨界斷裂應(yīng)力是材料被測(cè)部位發(fā)生斷裂的最小應(yīng)力，反映材料抵抗冷裂的能力。從圖4可知，不同預(yù)熱溫度下初始載荷與斷裂時(shí)間成反比。當(dāng)預(yù)熱溫度提高時(shí)，臨界斷裂應(yīng)力值明顯增大，即材料抵抗焊接冷裂的能力顯著提高。在室溫和預(yù)熱100 ℃情況下臨界斷裂應(yīng)力小于焊材R407熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度，與100 ℃下預(yù)熱焊縫的斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果吻合，即在室溫和100 ℃預(yù)熱下進(jìn)行焊接時(shí)冷裂紋敏感性較強(qiáng)。當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)150 ℃時(shí)，臨界斷裂應(yīng)力為593.78 MPa，相比于100 ℃時(shí)有較大幅度的提高，與R407焊條熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度相當(dāng)。預(yù)熱150 ℃情況下冷裂紋敏感性顯著降低。

圖4 斷裂時(shí)間與初始載荷的關(guān)系曲線(xiàn)

表6 臨界斷裂應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果

4 不同預(yù)熱溫度下焊接接頭的組織

圖5為不同預(yù)熱溫度下用R407焊條焊接P22和P91異種鋼接頭不同區(qū)域的組織形貌。P22碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.05%，室溫下用R407焊條焊接P22和P91異種鋼接頭，冷卻速度大，P22側(cè)熱影響區(qū)組織如圖5(a)所示，為馬氏體、鐵素體和珠光體，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.05%～0.12%的2.25Cr-1Mo型的R407焊條焊縫形成板條馬氏體，如圖5(b)所示。圖5(c)為室溫下異種鋼焊接接頭P91側(cè)熔合線(xiàn)附近的組織，組織為板條馬氏體，由于P91中的Nb、V和Cr等合金元素增大了接頭在冷卻過(guò)程中的淬透性，因此與焊縫相比，其組織細(xì)小且大小均勻。由于P91中Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為9%，R407焊條的Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為2%～2.5%，腐蝕介質(zhì)為王水，因此焊縫側(cè)的組織腐蝕程度較深。

預(yù)熱溫度為100 ℃時(shí)，焊縫處于中溫區(qū)時(shí)間延長(zhǎng)，P22側(cè)熱影響區(qū)開(kāi)始析出少量貝氏體，故P22側(cè)熱影響區(qū)組織為馬氏體、鐵素體和少量的貝氏體，如圖5(d)所示。而當(dāng)預(yù)熱溫度為150 ℃時(shí)，接頭冷卻速度進(jìn)一步減小，同時(shí)P22中合金元素對(duì)淬透性影響不大，使得P22側(cè)熱影響區(qū)貝氏體析出量增多，故P22側(cè)熱影響區(qū)組織轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w和鐵素體，如圖5(g)所示[9]。由于R407焊條中的合金元素溶入焊縫奧氏體，降低了馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度(Martensite start，Ms)點(diǎn)，促進(jìn)了板條馬氏體的形成。當(dāng)母材預(yù)熱到100 ℃后，接頭在Ms點(diǎn)以上停留時(shí)間延長(zhǎng)，從而使焊縫板條馬氏體粗化，并且出現(xiàn)了少量貝氏體，即焊縫組織為粗大的板條馬氏體和少量貝氏體，如圖5(e)所示；預(yù)熱達(dá)150 ℃時(shí)，接頭在Ms點(diǎn)以上停留時(shí)間更長(zhǎng)，焊縫組織為中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物貝氏體，如圖5(h)所示。P91中的Nb、V和Cr元素增大了合金的淬透性，預(yù)熱100 ℃時(shí)，P91側(cè)熱影響區(qū)組織均為馬氏體和少量的貝氏體，如圖5(f)所示；預(yù)熱溫度為150 ℃時(shí)，冷卻速度減小，中溫停留時(shí)間增長(zhǎng)，P91側(cè)熱影響區(qū)組織中貝氏體的含量增加，組織為細(xì)小的馬氏體和貝氏體組織，如圖5(i)所示。

(a)室溫，P22側(cè)熔合線(xiàn) (b)室溫，焊縫 (c)室溫，P91側(cè)熔合線(xiàn)

(d)100℃，P22側(cè)熔合線(xiàn) (e)100℃，焊縫 (f)100℃，P91側(cè)熔合線(xiàn)

(g)150℃，P22側(cè)熔合線(xiàn) (h)150℃，焊縫 (i)150℃，P91側(cè)熔合線(xiàn)

圖5 不同預(yù)熱溫度下R407焊條焊接P22和P91異種鋼接頭組織

5 焊接接頭硬度

圖6為預(yù)熱溫度在室溫、100 ℃、150 ℃下的P91和P22異種鋼焊接接頭的硬度分布。從P22到P91焊接接頭的硬度分布呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì)；P91側(cè)熔合區(qū)硬度最高，其次是焊縫，母材硬度最低，P91母材的硬度高于P22母材；隨著預(yù)熱溫度的升高，硬度值隨之降低，預(yù)熱溫度達(dá)150 ℃時(shí)，焊接接頭的最高硬度低于350 HV。

圖6 不同預(yù)熱溫度下R407焊條焊接P22和P91異種鋼接頭硬度分布

室溫下異種鋼接頭焊縫組織為板條馬氏體，其高密度的位錯(cuò)使得焊縫的硬度達(dá)到490 HV左右。隨著預(yù)熱溫度的升高，溫度為100 ℃時(shí)焊縫組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體和少量的貝氏體。預(yù)熱溫度進(jìn)一步提高到150 ℃時(shí)，冷卻速度減緩，焊縫獲得強(qiáng)度高、韌性好的下貝氏體組織，焊縫硬度小于350 HV。P91側(cè)熔合線(xiàn)附近的組織是細(xì)小的板條馬氏體，P91母材中的合金元素在凝固過(guò)程中固溶，母材的激冷作用導(dǎo)致的淬火作用而產(chǎn)生的自回火使合金元素在位錯(cuò)處偏聚，從而使熔合線(xiàn)附近的硬度高于焊縫。隨著預(yù)熱溫度的提高，熔合線(xiàn)附近的硬度高于母材的趨勢(shì)逐漸減小。

6 結(jié) 論

本文通過(guò)采用斜Y型坡口裂紋試驗(yàn)、插銷(xiāo)試驗(yàn)方法，對(duì)采用R407焊條焊接P91與P22異種鋼接頭的冷裂紋傾向進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

1)斜Y型坡口裂紋試驗(yàn)表明，在室溫和預(yù)熱100 ℃時(shí)，采用R407焊條焊接P22和P91異種鋼接頭的表面裂紋率、根部裂紋率和斷面裂紋率均達(dá)到100%，預(yù)熱150 ℃時(shí)接頭裂紋率為零。

2)插銷(xiāo)試驗(yàn)結(jié)果表明，室溫下R407焊條焊接P22和P91異種鋼接頭的臨界斷裂應(yīng)力約為417.57 MPa，預(yù)熱溫度升高到150 ℃時(shí)，接頭臨界斷裂應(yīng)力增加到593.78 MPa，與R407焊條熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度相當(dāng)。

3)室溫下接頭P91側(cè)熱影響區(qū)和焊縫組織均為馬氏體，P22側(cè)熱影響區(qū)組織為馬氏體、鐵素體和珠光體；預(yù)熱到100 ℃時(shí)，P91側(cè)熱影響區(qū)和焊縫組織為馬氏體和少量貝氏體，P22側(cè)熱影響區(qū)組織為馬氏體、鐵素體和少量貝氏體，且組織粗化；預(yù)熱到150 ℃時(shí)，P91側(cè)熱影響區(qū)組織為馬氏體和貝氏體，焊縫組織為貝氏體，P22側(cè)熱影響區(qū)組織為貝氏體和鐵素體。

4)隨著預(yù)熱溫度升高，熱影響區(qū)和焊縫硬度逐漸減?。唤宇^冷卻速度的降低使得接頭中淬硬的馬氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合性能良好的馬氏體和貝氏體混合組織。

5)R407焊條焊接P22和P91異種鋼時(shí)，為了保證焊接質(zhì)量，防止冷裂紋的產(chǎn)生，焊前預(yù)熱溫度應(yīng)高于150 ℃。