丁玉明，葉建水，朱 平，趙建倉

(1. 上海電氣電站設備有限公司汽輪機廠，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元素的基礎上加入了Cr、Mo等合金元素，其綜合力學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)電廠單機裝機容量逐漸增加。在生產制造過程中，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”，會根據(jù)不同服役工況采用相應的材料，因此會不可避免地面臨異種鋼焊接問題。

異種鋼焊接在電廠高溫管道制造中發(fā)揮著重要作用，然而采用異種鋼焊接會產生一些問題，例如焊縫化學成份的稀釋、凝固過渡層的形成、碳遷移過渡層的形成和殘余應力導致的焊接性能變差等。目前對于亞臨界和超臨界機組的主蒸汽管道中使用異種鋼P91鋼與P22鋼焊接的研究還不夠深入。因此，解決P22與P91異種鋼的焊接問題，對于火力發(fā)電廠機組的安全穩(wěn)定運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焊條進行焊接，并對其冷裂紋傾向和不同預熱溫度下焊接接頭的焊態(tài)組織和硬度進行了測試分析，為P22與P91異種鋼接頭的焊接提供理論依據(jù)。

1 試驗材料

母材SA335-P22鋼與SA335-P91鋼供貨狀態(tài)為調質態(tài)，其化學成分和力學性能分別如表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，其熔敷金屬的化學成分和力學性能如表3和表4所示[5-6]。

表1 SA335-P91鋼和SA335-P22鋼的化學成分(質量分數(shù)，%)

表2 SA335-P91鋼和SA335-P22鋼的室溫力學性能

表3 2.25Cr-1Mo型R407焊條熔敷金屬的化學成分(質量分數(shù)，%)

表4 2.25Cr-1Mo型R407焊條熔敷金屬的力學性能

(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

2.1 試驗條件及方法

按照原國標GB/T 4675.1-1984《焊接性試驗斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法》的規(guī)定進行斜Y型坡口試驗。試件的形狀和尺寸如圖2所示。坡口采用機械切削加工，焊前R407焊條在350 ℃下進行了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型坡口裂紋試驗試件的形狀和尺寸示意圖(單位：mm)

2.2 裂紋檢測和解剖

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

2.3 試驗結果

斜Y型坡口焊接裂紋試驗是一種冷裂紋試驗方法，其焊縫根部的應力集中系數(shù)達4.7。一般認為，裂紋率不超過20%則焊接結構不會出現(xiàn)冷裂紋[7-8]。

P22與P91鋼斜Y型坡口焊接裂紋試驗結果如表5所示。從結果可以得出，在試件室溫下以及預熱100 ℃時，表面裂紋率、根部裂紋率和斷面裂紋率均達到100%，預熱150 ℃時裂紋率為零。因此，為了防止異種鋼P22和P91鋼焊接產生冷裂紋，焊接時應該預熱到150 ℃以上。

表5 P22和P91鋼斜Y型坡口焊接裂紋試驗結果

3 插銷試驗結果及分析

3.1 試驗材料和試驗方法

試驗底板選擇P91，規(guī)格為220 mm×220 mm×20 mm。插銷材料為P22，插銷試驗參考原國際GB/T 9446-1988《焊接用插銷冷裂紋試驗方法》進行。深缺口插銷試樣的缺口深度為1.5 mm，其形狀及缺口如圖3所示。

圖3 插銷試樣及缺口形式簡圖(單位：mm)

3.2 試驗結果及分析

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

圖4 斷裂時間與初始載荷的關系曲線

表6 臨界斷裂應力試驗結果

4 不同預熱溫度下焊接接頭的組織

圖5為不同預熱溫度下用R407焊條焊接P22和P91異種鋼接頭不同區(qū)域的組織形貌。P22碳質量分數(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，碳質量分數(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側熔合線附近的組織，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程中的淬透性，因此與焊縫相比，其組織細小且大小均勻。由于P91中Cr質量分數(shù)約為9%，R407焊條的Cr質量分數(shù)約為2%～2.5%，腐蝕介質為王水，因此焊縫側的組織腐蝕程度較深。

預熱溫度為100 ℃時，焊縫處于中溫區(qū)時間延長，P22側熱影響區(qū)開始析出少量貝氏體，故P22側熱影響區(qū)組織為馬氏體、鐵素體和少量的貝氏體，如圖5(d)所示。而當預熱溫度為150 ℃時，接頭冷卻速度進一步減小，同時P22中合金元素對淬透性影響不大，使得P22側熱影響區(qū)貝氏體析出量增多，故P22側熱影響區(qū)組織轉變?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，降低了馬氏體轉變起始溫度(Martensite start，Ms)點，促進了板條馬氏體的形成。當母材預熱到100 ℃后，接頭在Ms點以上停留時間延長，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；預熱達150 ℃時，接頭在Ms點以上停留時間更長，焊縫組織為中溫轉變產物貝氏體，如圖5(h)所示。P91中的Nb、V和Cr元素增大了合金的淬透性，預熱100 ℃時，P91側熱影響區(qū)組織均為馬氏體和少量的貝氏體，如圖5(f)所示；預熱溫度為150 ℃時，冷卻速度減小，中溫停留時間增長，P91側熱影響區(qū)組織中貝氏體的含量增加，組織為細小的馬氏體和貝氏體組織，如圖5(i)所示。

(a)室溫，P22側熔合線 (b)室溫，焊縫 (c)室溫，P91側熔合線

(d)100℃，P22側熔合線 (e)100℃，焊縫 (f)100℃，P91側熔合線

(g)150℃，P22側熔合線 (h)150℃，焊縫 (i)150℃，P91側熔合線

圖5 不同預熱溫度下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；P91側熔合區(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；隨著預熱溫度的升高，硬度值隨之降低，預熱溫度達150 ℃時，焊接接頭的最高硬度低于350 HV。

圖6 不同預熱溫度下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，其高密度的位錯使得焊縫的硬度達到490 HV左右。隨著預熱溫度的升高，溫度為100 ℃時焊縫組織轉變?yōu)轳R氏體和少量的貝氏體。預熱溫度進一步提高到150 ℃時，冷卻速度減緩，焊縫獲得強度高、韌性好的下貝氏體組織，焊縫硬度小于350 HV。P91側熔合線附近的組織是細小的板條馬氏體，P91母材中的合金元素在凝固過程中固溶，母材的激冷作用導致的淬火作用而產生的自回火使合金元素在位錯處偏聚，從而使熔合線附近的硬度高于焊縫。隨著預熱溫度的提高，熔合線附近的硬度高于母材的趨勢逐漸減小。

6 結 論

本文通過采用斜Y型坡口裂紋試驗、插銷試驗方法，對采用R407焊條焊接P91與P22異種鋼接頭的冷裂紋傾向進行了研究，得到如下結論：

1)斜Y型坡口裂紋試驗表明，在室溫和預熱100 ℃時，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到100%，預熱150 ℃時接頭裂紋率為零。

2)插銷試驗結果表明，室溫下R407焊條焊接P22和P91異種鋼接頭的臨界斷裂應力約為417.57 MPa，預熱溫度升高到150 ℃時，接頭臨界斷裂應力增加到593.78 MPa，與R407焊條熔敷金屬的抗拉強度相當。

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

4)隨著預熱溫度升高，熱影響區(qū)和焊縫硬度逐漸減??；接頭冷卻速度的降低使得接頭中淬硬的馬氏體組織轉變?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，為了保證焊接質量，防止冷裂紋的產生，焊前預熱溫度應高于150 ℃。