P92钢焊缝冲击韧性工艺研究

摘要：P92钢是新型铁素体耐热钢，已广泛应用于超（超）临界燃煤发电机组。相比其他铁素体耐热钢，P92钢具有更高的高温强度和蠕变性能，其抗热疲劳性、热传导系数和热膨胀系数远优于奥氏体不锈钢，抗腐蚀性和抗氧化性优于其他9%Cr的铁素体耐热钢。P92钢的焊接技术已较为成熟，但其焊接接头易出现焊缝冲击韧性偏低的问题。影响P92钢焊缝金属冲击韧性的主要因素是焊接热输入。细焊条、薄焊层、多层多道焊，适当的预热温度、层间温度，足够的高温回火温度和恒温时间，是保证焊缝冲击韧性的有效措施。

关键词：P92钢管；焊接工艺；冲击韧性；焊接热输入；马氏体

1P92钢的性能分析

SA335P92钢是在P91钢的基础上开发的一种新型钢种[1]。P92钢在P91钢的基础上适当降低钼含量（0.5%Mo），同时加入一定量的钨（1.8%W），将材料的钼当量（Mo+0.5W）从P91钢的1%提高到约1.5%，并加入了微量的硼，是一种新型的可焊的细晶强韧化的马氏体钢。P92钢物理性能良好，与P91钢相比，具有更高的高温蠕变断裂强度、优异的常温冲击韧度、优良的抗氧化性、焊接裂纹敏感性低于传统的铁素体耐热钢低等性能优点。但P92钢具有明显的时效倾向，在3000h时效后，其韧性下降许多，冲击功从时效前的约220J降低到约70J。在3000h以后，冲击功继续下降的倾向不明显，冲击功将稳定在时效3000h的水平[2]。时效倾向发生在550℃～650℃范围内，这个温度范围正是该钢的工作温度范围。母材具有明显的时效倾向，与母材成分相近的焊缝也同样的倾向。同时，由于P92是细晶粒钢，通过焊接热循环过程的焊缝金属是从温度非常高的熔融状态冷却下来的铸造状粗晶结构，晶粒得不到细化，破坏了钢在细晶粒组织结构下获得的机械性能，使得焊缝金属的冲击韧性降低。另一方面，为钢的热强性而增加的微量金属钨（W）也促进了焊缝冲击韧性的降低。为了避免焊缝金属时效后的韧性降低，提高焊缝金属时效前的原始韧性，为时效留出足够的余量，是解决焊缝金属时效后韧性不足的有效途径。提高焊缝冲击韧性是焊接工艺设计的关键因素。

2影响焊缝冲击韧性的因素

P92钢经过连铸、控制、轧制等特殊精炼技术铸造成的细晶强韧化的马氏体钢，具有较高的冲击韧性和高温强度。同时母材中为提高抗蠕变能力和降低δ铁素体的敏感性，在冶金过程中加入的V、Nb、W等合金元素，沉淀强化以极细颗粒弥散析出的V、Nb、W碳化物高度细化晶粒。而P92钢的焊缝金属在其熔敷成型及冷却过程中形成了铸造状的粗晶结构，没有经过TMCP过程（Thermal-MechanicalControlProcess）即热控轧加工过程，晶粒得不到细化，并且焊缝金属由于熔池的高温及快速凝固冷却，少量的V、Nb、W等微量合金元素没有以碳化物细化晶粒来韧化焊缝，反而固熔在基体内，没有机会充分析出，降低了焊缝的韧性。安徽电力第二工程公司汽机安装公司通过焊接工艺评定，根据P92焊接接头存在焊接冷裂纹、焊缝金属韧性低、Ⅳ型裂纹等问题[3]，研究其产生的原因及防范措施。提出晶粒越细、晶界越多，金属的冲击韧性越高。为提高P92钢焊接性接头的冲击韧性，采用了降低焊缝金属晶粒大小的焊接工艺。实践证明，采用较小的焊接线能量、严格控制层间温度及采用合适的热处理规范，有利于获得良好的P92钢的焊接质量[4]。2．1预热P92钢在正火+回火状态下使用，组织为回火马氏体。因P92钢的C、S、P等元素含量低，纯净度高，具有较高的韧性，使其焊接冷裂纹倾向大为降低，但由于钢在焊接状态下马氏体组织硬度高、韧性低，为了提高焊缝金属的韧性和防止冷裂纹的产生，焊接时应采取一些必要的预热措施。预热可适当降低焊接残余应力，减缓马氏体转变时的冷却速度，有利于焊缝金属中扩散氢的逸出，避免产生氢致裂纹，同时也减少焊缝及热影响区的淬硬程度，提高焊接接头的抗裂性。P92钢的合金含量超过10%，预热对提高其接头性能非常重要。预热温度应该高于P92钢Y型焊接性试验的止裂温度。GTAW的预热温度为100℃~150℃；SMAW的预热温度为200℃~250℃。2．2层间温度控制层间温度可以保证焊接接头的冲击韧性，提高其高温蠕变强度。为了获得满意的冲击韧性，宜采用低焊接输入热量的焊接工艺，使层间温度保持在200℃～250℃，较高的层间温度会导致焊缝金属的冲击韧性降低。2．3焊接热输入实践证明，焊件输入热量对焊接接头的冲击韧性有较大影响，焊件输入热量越大，焊接接头的冲击韧性越低。焊接线能量过大可能导致焊接接头在高温区间停留时间过长，造成焊缝中出现δ相，800℃~500℃区间停留时间过长造成焊缝组织粗大，均会影响焊缝金属的冲击韧性[5]。正常焊接过程中，电弧电压稳定，焊接线能量主要受焊接电流和焊接速度的影响。焊接电流以铁水流动适宜、熔池清晰、熔和良好为前提，焊接速度在实际焊接操作中不易测量，但焊层厚度和焊道宽度是焊接线能量的直观反映[6]，焊接过程中可通过控制和测量焊层厚度来有效控制焊接线能量。在P92钢焊接过程中，以低热输入为原则，选择薄层、窄焊道、多层多道的焊接工艺，找出了提高P92钢焊条电弧焊焊缝冲击韧性的方法。细焊条、窄道多道焊的冲击韧性较高；摆焊的、薄焊道的冲击韧性较高；横焊的冲击韧性较高；一层二道的窄间隙焊的冲击韧性较高；多层多道焊的冲击韧性较高。P92钢厚壁管焊接时，采用多层多道焊，焊层尽量薄，存在着后焊焊道对先焊焊道的再热作用，使先焊焊道的一部分柱状晶形成细晶，晶粒越细，焊缝金属的韧性越强。焊接工艺试验表明，焊层厚度控制在3mm以下，焊缝的冲击韧性满足标准要求，焊层厚度达到4mm，焊缝的冲击韧性达不到标准要求。显微组织分析，焊层厚度3mm时，焊缝组织为回火马氏体；焊层厚度4mm时，焊缝组织为回火马氏体伴随少量铁素体，致使焊缝韧性降低。2．4焊接热处理实验结束表明，焊后热处理对焊缝金属的冲击韧性影响极大[7]，足够的高温回火温度和恒温时间才能保证焊缝的力学性能达标。根据CCT曲线，P92钢的AC1温度在800℃~850℃，根据热处理工艺原则，回火温度应低于Ac1温度，即800℃。为此，在P92钢管焊接接头上做了730℃和760℃焊后热处理的对比实验，研究不同热处理温度对焊接接头组织和力学性能的影响。焊缝经外观、无损检测合格，回火温度分别在730℃和760℃时拉伸、弯曲实验均符合标准要求，但在硬度检测中发现，回火温度760℃时，焊缝位置及热影响区均低于标准的250HBW；回火温度730℃时，焊缝位置及热影响区均高于标准的250HBW；不论是母材、焊缝、热影响区，随着回火温度的降低，试件的硬度值逐渐升高。回火温度的提高虽造成焊接接头硬度下降，但随着碳氮化合物的析出，焊缝的韧性得到改善。这是因为焊缝是由熔融状态的金属以极快的速度冷却至室温的铸造组织，在冷却过程中，焊缝熔敷金属中的Nb、V等微量元素来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缝金属中，提高了焊缝的硬度，降低了焊缝的韧性。但当回火温度高于720℃时，组织中的Nb、V等微量元素逐渐以碳和氮化合物的形式析出，并随着回火温度的提高，碳和氮化合物析出越充分。760℃时是适宜的回火温度，继续提高回火温度会导致焊接接头的性能恶化。对于P92铁素体耐热钢，为防止冷裂纹的产生，焊后不能立即升温进行回火热处理，焊后必须冷却至80℃~100℃并恒温2h，待马氏体转变完全后才能做后热处理。一方面达到完全地消除组织中未完全转化的奥氏体，另一方面有利于氢扩散逸出。为保证P92钢大径厚壁管焊缝根部的冲击韧性，要求热处理过程中其内、外壁温差不能高于20℃，在生产实践中，公司采用了独创的，获得国家专利的内封堵热处理工艺，极大程度上保证了大径厚壁管焊接接头根部焊缝金属的韧性。2．5时效倾向P92钢具有明显的时效倾向，在3000h时效后，其韧性和冲击功下降许多。时效过程中，Cr、W、Mo等合金元素与Fe、Mn、Si形成金属间化合物Laves相，导致韧性下降。与母材成分相近的焊缝也具有同样的倾向，为了确保时效后焊缝韧性保持在要求水平，时效前焊缝的原始韧性必须有充分的富裕量。2．6热影响区Ⅳ型裂纹P92钢存在焊接接头热影响区“第四类”软化区的行为，焊接接头经长期运行后，断裂在远离焊缝区的软化带，此软化带强度明显降低，这是因为在热影响区的细晶区析出相的粗化程度要比母材和热影响区粗晶区大得多，易促进蠕变空洞成长，形成Ⅳ型裂纹。为了控制Ⅳ型裂纹，在保证焊接熔化良好、不产生焊接冷裂纹的基础上，尽量不采用过高的预热温度及层间温度，不采用过大的焊接线能量，采取多层多道焊并避免过厚的焊道，努力使热影响区软化带变得狭窄，缩小其影响。

3结论

（1）小线能量对保证焊缝金属韧性有利，用小规格焊条、小电流、快速连弧焊、薄焊层、多层多道焊，可实现对焊接线能量的控制。（2）在焊接接头的形成过程中，采用尽量较小的焊接热输入，接近下限温度范围的预热和层间温度，保证足够的高温回火温度和恒温时间，确保小于20℃内外壁温差等措施，可实现提高焊缝冲击韧性的目的。（3）实验结果表明，焊层厚度3mm时，焊缝硬度值、冲击韧性均满足标准要求；焊层厚度4mm时，焊缝硬度值超出标准值、冲击韧性不能满足标准要求；观察显微组织，焊层厚度3mm时焊缝组织为回火马氏体，焊层厚度4mm时焊缝组织为回火马氏体伴随少量的δ铁素体，δ铁素体的出现降低了焊缝的冲击韧性。（4）较小的焊接热输入有益于提高焊缝的韧性，从而为高温时效提供了富裕的韧性储备。（5）小的焊接热输入减少热影响区的尺寸，同是减小了Ⅳ型“软化区”的宽度，搞高了焊接接头的蠕变断裂强度。

作者:杜军 单位:中国能源建设集团