5A335P91鋼焊縫結晶裂紋產生機理

王麗娟

(湖南工學院機械工程系，湖南衡陽421002)

5A335P91鋼焊縫結晶裂紋產生機理

王麗娟

(湖南工學院機械工程系，湖南衡陽421002)

選用不同的焊接工藝參數進行大口徑SA335P91鋼管對接全位置焊接模擬試驗，通過金相觀察、電鏡和微區能譜分析等方法研究了焊接工藝參數對SA335P91鋼焊縫根部裂紋的影響，分析了裂紋的性質、類型和產生機理。結果表明，SA335P91鋼焊縫根部裂紋屬于結晶裂紋，其產生與焊接工藝密切相關，結晶裂紋產生與否不是取決于S的絕對含量，而主要取決于S的低熔點共晶化合物在晶界的分布形態；選擇合適的焊接工藝參數并將焊接電弧在左右焊道閉合小孔處停留時間控制在5 s以內，可有效預防結晶裂紋的產生。

結晶裂紋；形成機理；焊接工藝；SA335P91鋼

0 前言

SA335P91鋼是一種在9%Cr-1%Mo的基礎上，加入一定量鈮、釩、氮等元素的合金，屬改良型高強度馬氏體耐熱鋼，具有良好的高溫強度、抗蠕變性能和抗氧化性能，材料級別為SATM-213-T91和ASME/A/SA335P91。在同樣的工作條件下，SA335P91鋼與傳統的Cr-Mo耐熱鋼(如P22，X20)相比，其厚度僅為它們的1/2和2/3，能有效減少材料用量，降低設備的質量。SA335P91為合金大口徑管材，已廣泛應用于高參數電站主蒸汽管、再氏熱蒸汽管、高溫蒸汽聯箱和石化乙烯裂解對流段的超高壓蒸汽過熱器段等設備的核心部件。SA335P91鋼在我國已使用十多年，在焊接工藝方面積累了一些經驗，國家電力公司電源建設部下發了《T91／P9l鋼焊接工藝導則》指導性文件。但在施工現場施焊時，該鋼仍存在很多焊接質量問題[1-7]。

某大型乙烯改擴建項目中，裂解對流段的超高壓蒸汽過熱器段材質為SA335P91，規格φ73.3mm× 9.53 mm，焊接位置為全位置水平固定加障礙，焊后進行X射線檢測時，發現部分焊縫根部存在裂紋。在此通過模擬焊接試驗，對不同焊接工藝參數條件下SA335P91鋼焊縫裂紋的性質、類型和產生機理進行研究。

1 SA335P91鋼的焊接性分析

1.1 SA335P91鋼的理化性能

SA335P91鋼屬于改良型9Cr-1Mo高強度馬氏體耐熱鋼，是一種在9%Cr-1%Mo的基礎上加入一定量鈮、釩、氮等元素，采用純凈化、細晶化冶金技術，微合金化、控軋、控冷等工藝，開發出的新一代中合金耐熱鋼。典型SA335P91鋼的化學成分見表1，機械性能見表2。從化學成分上看，鋼中C、S、P含量降低；從力學性能上看，鋼的強度和韌性得到改善。這是由于該鋼的強化機理與老鋼種不同，既除了固溶和沉淀強化外，還通過微合金化、控軋、形變熱處理及控冷等工藝獲得高密度位錯和高度細化晶粒的結果。

表1 SA335P91鋼母材的化學成分%

表2 SA335P91鋼機械性能

與T9鋼相比，SA335P91鋼由于降低了碳和雜質元素的含量，焊接裂紋的敏感性明顯減弱，防止裂紋產生的預熱溫度隨之下降。鋼的焊接性有所改善。

1.2 SA335P91鋼具有較強的冷裂紋敏感性

SA335P91鋼屬中合金耐熱鋼，鋼中合金元素種類多，總含量約10%，碳當量約1.27%，對冷裂紋具有組織上的敏感性，淬硬傾向大。在焊后的焊縫冷卻過程中，由于發生了由奧氏體組織向馬氏體組織轉變的相變過程，不僅造成了焊接接頭處組織應力的增大，而且焊縫中的氫以過飽和狀態殘留在馬氏體組織中，使得馬氏體組織晶體缺陷處的氫濃度增大，加劇了該區域組織的進一步脆化。由于SA335P91鋼主要用于大直徑厚壁管，因此材料本身具有很大的結構剛性和拘束應力。焊接過程中如果工藝措施控制不當易產生冷裂紋。

1.3 SA335P91鋼接頭性能的弱化

(1)由于焊縫金屬未經控軋和形變熱處理過程，晶粒不可能由此被細化；同時焊縫中的Nb、V元素在冷卻凝固過程中很難以微細的C、N化合物析出，焊縫的韌性比母材低許多。

(2)隨著焊接線能量的增加，焊縫和熱影響區的夏比沖擊功值呈下降趨勢，變化較明顯。過大的焊接線能量使組織嚴重過熱，晶粒尺寸生長過大，出現魏氏組織、粗大晶粒和網狀晶界，這些組織易產生裂紋源，形成裂紋并擴展，從而造成沖擊韌性下降。

1.4 結晶裂紋傾向較大

可變拘束試驗表明，SA335P91鋼與其他鋼種的結晶裂紋傾向與12Cr1MoV相當，比0Cr18Ni9Ti不銹鋼稍小，與G102等低合金高強鋼相比，結晶裂紋傾向更大，總體評定為中等水平。

2 試驗方法

試驗材料選用由日本住友金屬公司生產的SA335P91鋼管，規格為φ73.3mm×9.53mm，鋼的供貨狀態為正火＋回火(730℃～760℃)，顯微組織是回火馬氏體。

試驗模擬管對接水平固定加障礙物全位置焊，焊接方法采用手工氬弧焊，焊接順序如圖1所示。氬弧焊絲為英國曼徹特焊接材料公司的ER90S-B9焊絲，直徑φ2.4 mm，焊絲化學成分見表3，熔敷金屬的化學成分見表4。焊絲使用前要除去表面的油、銹、垢等污物，露出金屬光澤。焊縫坡口為單U型，鈍邊1～1.5 mm，裝配時不留間隙，焊前將坡口周圍用丙酮清洗干凈，露出金屬光澤。工件預熱溫度大于等于150℃。為了保證氬弧焊封底焊透，內面成形好，不氧化，焊接時管內充氬氣進行保護。焊后緩慢冷卻到室溫，并對打底焊縫進行100%著色檢查后，才能進行填充焊接。焊接速度105mm/min，其他焊接試驗工藝參數及焊接結果見表5。

焊接裂紋普遍產生于根部打底焊左右焊道交匯閉合的小孔處，即圓周焊縫最高處(12點鐘位置) ±10°范圍內，如圖2所示。較為嚴重的情況是在收弧后，焊縫還在紅韌狀態時，用肉眼就能看出裂紋的存在。

焊接試件經外觀檢驗和X射線探傷后，在裂紋發生的區域和部位選取檢驗試樣。對有裂紋的試樣，在軸向和周向準確定位后用線切割方法沿開裂面分開，保留裂紋的原始形貌；對沒有發現裂紋的試樣，使用沖擊的辦法將試樣從左右焊道交匯閉合小孔處沖斷。然后采用荷蘭hilips公司XL-30FEG型掃描電鏡進行斷口掃描，采用美國EDAX公司的DX4i型X射線能譜儀進行能譜分析，采用德國Leica公司出品的DMIRM型光學顯微鏡進行微觀金相分析。其中能譜分析主要是對被分析微區求平均值。

表3 ER90S-B9焊絲化學成分%

表4 SA335P91鋼焊縫熔敷金屬的化學成分%

表5 焊接試驗工藝參數及結果

圖1 焊接順序示意

圖2 左右焊交匯閉合小孔和裂紋區域示意

3 試驗結果

3.1 外觀檢查結果

裂紋位于根部焊道內側，裂紋所處區域普遍存在內凹，其形貌如圖3所示。從宏觀上看，裂紋主要以橫向為主，在焊縫區內，沒有伸入到熱影響區和母材。

圖3 小孔閉合區(背面)內凹區裂紋

3.2 微觀金相分析

在光學顯微鏡下觀察，未出現裂紋現象的焊接試件焊道閉合小孔處的顯微組織如圖4所示，出現裂紋現象的焊接試件焊道閉合小孔處的顯微組織如圖5所示。

圖4 未出現裂紋現象的焊接試件焊道閉合小孔處的顯微組織(100×)

3.3 能譜分析結果

對小孔停留時間為5 s的2號、6號模擬焊接試樣、10 s的3號模擬焊接試樣、15 s的7號模擬試樣進行有裂紋斷口面、無裂紋斷口面的晶界能譜分析(EDAX)，能譜分析結果數據如表6所示。

圖5 出現裂紋現象的焊接試件焊道閉合小孔處的顯微組織(150×)

3.4 掃描電鏡分析結果

為了進一步搞清楚裂紋的性質，取試樣進行了斷口電鏡掃描，如圖6所示。從掃描的結果來看，裂紋面上柱狀晶粗大且發達，裂紋幾乎全是沿晶開裂。無裂紋焊接試樣的斷口電鏡掃描形貌如圖7所示。

表6 典型試樣EDAX分析詳細結果%

圖6 有裂紋試樣焊縫斷口形貌(1 000×)

圖7 無裂紋焊接試樣的斷口形貌(1 000×)

4 分析和討論

4.1 裂紋的性質

從裂紋產生的位置和狀態看，焊接裂紋普遍產生于根部打底焊時左右焊道交匯閉合的小孔處，絕大部分存在于焊縫中，極少量貫穿于熱影響區；較為嚴重的情況是收弧后焊縫還在紅韌狀態時就產生裂紋，說明裂紋是在高溫狀態下產生的，且不具有延遲特征；微觀金相照片顯示，裂紋多為橫向裂紋，走向以沿晶為主。

由此可以認為，裂紋是在焊接熔池凝固過程中因殘余液相金屬不足，在金屬收縮產生的拉應力作用下，將晶界上低熔點共晶液膜拉開而形成的結晶裂紋。

4.2 含硫量與焊縫結晶裂紋產生的關系

S是各類鋼中增加結晶裂紋傾向的元素。表6中的EDAX分析結果顯示，出現裂紋的3號試樣和7號試樣中元素S的絕對含量分別為0.509%和3.229%，而未出現裂紋的2號試樣和6號試樣元素S的絕對含量分別為6.227%和10.584%，可見，SA335P91鋼焊縫中S的絕對含量與焊縫中結晶裂紋的產生沒有必然的聯系。

4.3 硫化物與焊縫結晶裂紋產生的關系

合金元素是影響裂紋傾向最本質的因素。S是鋼中極易偏析的元素，由于偏析可能在鋼的局部形成低熔點共晶，從而產生裂紋。Mn具有脫硫的作用，能夠置換FeS而形成MnS，同時也能改善硫化物的分布形態，由FeS的薄膜狀而改變為球狀分布，從而提高焊縫金屬的抗裂性能。表6的EDAX能譜分析結果顯示，出現裂紋的3號試樣和7號試樣，元素S與元素Mn的相對含量分別為0.704和16.818，未出現裂紋的2號試樣和6號試樣S與元素Mn的相對含量分別為0.515和0.563。出現裂紋的試樣中的元素S相對元素Mn的含量都比較高。這說明S元素除與Mn元素形成部分MnS外，還有多余的S與Fe元素形成液態薄膜狀的FeS低熔點共晶，從而導致結晶裂紋的產生。

無裂紋焊接試樣的人為斷口形貌如圖7所示，是典型的韌性斷口，其韌窩底部有球形夾雜物，而球形硫化物能提高焊縫金屬的抗裂性能。裂紋試樣焊縫斷口形貌如圖6所示，裂紋面上有延綿起伏分布、表面光亮、棱角圓滑、成團成塊、形態自然的低熔點共晶體。

通過EDAX能譜分析發現，在產生裂紋的3號試樣和7號試樣中存在大量的低熔點共晶體形成元素S、P、Ni、Fe等及其促成元素C，它們屬于低熔點共晶體形成元素，其存在于焊縫中增加了結晶裂紋傾向。

以上分析表明，焊接熱裂紋的產生與否與焊縫內晶界上S的相對含量有關。由于試驗所選用的SA335P91鋼管和ER90S-B9焊絲的S含量都非常低，那么焊縫金屬組織晶界上的S必然是以硫化物的形式偏析聚集而來的。

4.4 焊縫組織形態與尺寸對結晶裂紋敏感性的影響

從掃描電鏡照片上可清晰地看出，SA335P91鋼焊縫裂紋面上的結晶組織普遍是粗大的、方向性非常強的胞狀樹枝晶，而且其一次結晶組織是與結晶主軸方向基本一致的單相粗大奧氏體，基本沒有被打亂，這為結晶裂紋的產生和擴展提供了有利的條件。結晶裂紋也正是起源于這些胞狀晶的交匯處，并沿其柱狀晶界的主干方向發展，也就是說這些粗大的、方向性非常強的胞狀樹枝晶界有利于結晶裂紋的形成。

4.5 焊接工藝參數與焊縫結晶裂紋產生的關系

焊接試驗工藝參數及焊接結果和微觀金相分析顯示，在焊接材料和母材相同的條件下，焊接電流大且電弧在焊道閉合小孔處的停留時間長(不小于10 s)的焊縫，其晶粒尺寸較大，馬氏體束長且粗，方向性極強，出現了裂紋；焊接電流小且電弧在焊道閉合小孔處的停留時間短(不大于5 s)的焊縫，其晶粒比較細，板條馬氏體束較短且窄，沒有出現裂紋。可見，SA335P91鋼焊縫結晶裂紋的產生與焊接工藝參數有密切的關系，主要取決于焊接電流和電弧在焊道閉合小孔處的停留時間。

5 結論

(1)SA335P91鋼管水平固定全位置障礙單面焊雙面成形時，產生的根部裂紋為結晶裂紋，它是焊縫金屬在高溫凝固過程中產生的。

(2)SA335P91鋼管水平固定全位置障礙單面焊雙面成形時，根部焊縫結晶裂紋的產生與焊接工藝參數密切相關，主要取決于焊接電流以及電弧在焊道閉合小孔處的停留時間。通過優化選擇焊接規范，電弧在焊道閉合小孔處的停留時間控制在5s以內時可有效地預防結晶裂紋的產生。

(3)SA335P91鋼焊縫中硫的絕對含量與焊縫中結晶裂紋的產生沒有必然的聯系，而與焊縫內晶界上硫相對于金屬錳的相對含量以及低熔點共晶體形成元素S、P、Ni、Fe等及其促成元素C的含量有關。

[1]Zhang Jianqiang，Zhao Haiyan，Wu Su，et al.Research on the creep damage andinterfacial failure of dissimilar metal welded joint between 10Cr9Mo1VNbN and 12Cr1MoV steel[J].CHINA WELDING，2004(13)：1.

[2]王麗娟.電站鍋爐SA335P81高溫高壓蒸汽鋼管焊接工藝[J].電焊機，2010，40(8)：71-75.

[3]李亞江，王娟，劉鵬.低合金鋼焊接及工程應用[M].北京：化學工業出版社，2003.

[4]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊[M].北京：機械工業出版社，2001.

[5]任家烈，吳愛萍.先進材料的連接[M].北京：機械工業出版社，2000.

[6]機械工程標準手冊編委會.機械工程標準手冊——焊接與切割卷[M].北京：機械工業出版社，2001.

[7]李亞江.特殊及難焊材料的焊接[M].北京：化學工業出版社，2004.

Study of formation mechanism on weld solidification cracking of SA335P91 steel

WANG Li-juan
(Mechanical Engineering Department of Hunan Institute of Technology，Hengyang 421002，China)

All position welding simulation test was carried on large diameter pipe of SA335P91 steel under different welding process parameters，The effects of different welding process parameters on the root crcaking of SA335P91 steel pipe were investigated by metallographic observation，SEM and micro-spectroscopy analysis and property，type and mechanism of crack were analyzed.The results show that the root cracking of SA335P91 steel is solidification cracking and has closely related to do with welding process，It is not dependent the absolute content of S and mainly depends on the distribution patterns in the grain boundary structure of the lowmelting-point eutectic compounds of S.The solidification cracking can be effectively prevented by selecting the appropriate welding parameters and controlling the residence time of the welding arc at the closed holes less than 5 seconds.

solidification cracking；formation mechanism；welding process；SA335P91

book=9,ebook=371

TG457.11

A

1001－2303(2012)09－0070-05

2011－02－28

王麗娟(1963—)，女，湖南衡陽人，高級實驗師，主要從事鍋爐壓力容器金屬材料焊接方面的研究工作。