SA-335P91藥芯焊絲氣體保護焊工藝試驗

（東方電氣集團 東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001）

0 前言

P91鋼是在9Cr-1Mo鋼的基礎上，通過限制碳含量上下限，更加嚴格控制P和S等殘余元素含量的同時添加了N（0.030%～0.070%）以及微量的強碳化物形成元素V（0.18%～0.25%）和Nb（0.06%～0.10%），以細化晶粒并提高高溫強度，從而形成新型鐵素體耐熱合金鋼。P91鋼具有良好的綜合性能、較高的性價比，在電站行業的300MW和600MW超臨界鍋爐屏式過熱器集箱、高溫過熱器集箱、高溫再熱器出口集箱等部件上得到廣泛應用。

藥芯焊絲氣體保護焊是一種優質、高效的焊接工藝方法，它具有生產效率高、生產成本低、易于實現自動化和焊接質量高等特點。為了提高集箱的焊接效率和控制焊接變形，鍋爐行業已于21世紀初在碳鋼、SA-335P12和12Cr1MoVG等材質的集箱管座及其附件的焊接上成功使用藥芯焊絲氣體保護焊工藝，并積累了大量實踐經驗。然而，對于P91材質集箱，由于藥芯焊絲的研制難度較大，工藝性能和力學性能難以同時滿足要求，綜合成本較高，只有少數國外大型焊材供應商研發了此配方。

目前P91藥芯焊絲基本上都是國外大型焊材供應商開發的產品，其焊接工藝性方面及使用方面主要存在以下問題：（1）為了確保力學性能，渣系偏堿性，造成總體焊接工藝性較差，影響一次探傷率和焊接質量。主要表現在：脫渣性較差，且熔渣容易蹦濺；熔池較粘稠，不利于操作者觀察；焊縫表面存在不同程度的壓坑，影響焊縫質量；電弧挺度較差，熔深較淺，易導致產生夾渣或層間未熔合等。（2）對焊工操作技能要求較高，適應性較差。（3）焊接工藝參數對焊接工藝性和熔敷金屬性能有很大影響，需要進一步試驗以確定最佳匹配關系。

綜合對比后選擇焊絲E91T1-B9M1（φ1.2 mm）和E91T1-B9M2（φ1.2 mm）作為推廣對象，對其進行了試驗研究。

1 試件制備

為了了解和掌握焊接及熱處理規范對P91藥芯焊絲接頭性能的影響，驗證接頭性能對焊接和熱處理規范的敏感性。在充分考慮所選擇焊接及熱處理規范的合理性，確保試驗結果的代表性及準確性的同時，考慮試驗周期以及成本，制定了如表1所示的焊接及熱處理規范。

采用焊絲 E91T1-B9M1（φ1.2mm）、E91T1-B9M2（φ1.2 mm）分別焊制接頭性能測試試板。試板材質為SA-387GR91鋼板，規格450mm×125mm×25mm，試板坡口如圖1所示。所有試板焊前預熱200～250℃，層間溫度200～350℃，焊接規范和試板編號如表1所示。所有試板焊后均進行100%RT+100%MT探傷檢查，按表1對應的熱處理規范進行熱處理，熱處理后按NB/T47014焊接工藝評定的要求進行理化檢驗。

表1 焊接規范

圖1 試板坡口

2 焊接規范對焊縫金屬化學成分的影響

經直讀光譜儀和碳硫分析儀測得焊縫金屬化學成分如表2所示。焊接規范對兩種焊絲焊縫金屬的化學成分無明顯影響。除w（N）超出標準上限外，其他元素含量均在標準范圍內。值得注意的是，焊縫的w（Ni+Mn）≤1.2%，對AC1線的上移有一定優勢，能在一定程度上降低因實際熱處理溫度波動造成短時間內溫度超過AC1點的概率。另外，焊絲E91T1-B9M2 焊縫的 w（Cr）較高、w（Nb）較低。

3 接頭室溫性能[1-6]

按NB/T47014焊接工藝評定標準檢驗焊接接頭及全焊縫室溫力學性能，拉伸試驗結果如表3所示，沖擊和硬度試驗結果如表4所示。

3.1 焊接規范對抗拉強度的影響

選擇相同熱處理規范（760℃/4 h）的數據進行對比分析，如圖2所示。在760℃/4 h熱處理規范下，接頭的斷裂位置大部分位于母材；少部分斷裂位置在焊縫上的接頭試樣從數據上看強度均明顯低于全焊縫強度，從斷口情況看均有肉眼可見的夾渣存在，這也是造成強度明顯低于其他試樣的原因。因此使用全焊縫強度來評價焊接規范對焊縫強度的影響。每種焊材的各個全焊縫試樣之間的強度差只有約20MPa，僅占總體強度的2.8%，強度余度很大，焊接規范對接頭的強度無明顯影響。

表2 焊縫金屬化學成分%

表3 接頭室溫力學性能

表4 接頭室溫沖擊功及硬度

圖2 焊接規范對抗拉強度的影響

3.2 熱處理規范對抗拉強度的影響

熱處理保溫時間對抗拉強度的影響如圖3、圖4所示。焊后熱處理溫度和保溫時間對焊縫強度的影響較大，隨著熱處理溫度的升高和保溫時間的延長，兩種焊絲全焊縫強度均呈下降趨勢，當760℃下的加熱時間超過6 h或進行775℃熱處理時，焊縫強度明顯降低，但焊絲E91T1-B9M1焊縫強度下降程度較大。總體來看，只要采取合適的熱處理規范，兩種焊絲焊縫的強度均能達到與母材相當的水平。

圖3 熱處理保溫時間對抗拉強度的影響

圖4 熱處理溫度對接頭抗拉強度的影響

3.3 焊接、熱處理規范對沖擊功及硬度的影響

焊接及熱處理規范對焊縫沖擊功的影響如圖5所示。大的焊接規范使兩種焊絲焊縫的沖擊韌性降低，硬度提高；隨著熱處理保溫溫度的升高和保溫時間的延長，兩種焊絲焊縫沖擊韌性都有所提高，相比之下，焊絲E91T1-B9M1焊縫沖擊韌性提高趨勢較大；焊后熱處理保溫溫度和保溫時間對焊縫硬度的影響不明顯，當焊后熱處理溫度提高到775℃時，焊縫硬度開始降低，焊絲E91T1-B9M2焊縫硬度下降明顯，出現低于母材的情況。

4 金相組織

4.1 宏觀組織

3種焊接規范下接頭的宏觀照片如圖6所示，熱輸入對HAZ寬度的影響不明顯。大焊接規范的焊縫晶粒明顯變得粗大，這也是導致其焊縫沖擊功最低的主要因素。

4.2 微觀組織

3種焊接規范下接頭的微觀照片如圖7所示。小規范XPW、XTM焊縫的晶粒較為細小，在焊縫的某些區域形成了長條狀的δ鐵素體，相較而言，XTM焊縫鐵素體數量較多，這與其鐵素體形成元素Cr的含量較高有關。焊縫與母材相比，熔合線附近的晶粒略有長大。總的來看，由于母材晶粒很細小，HAZ的晶粒長大不顯著。

與小焊接規范XPW、XTM相比，RPW、RTM雖然焊接規范增加，但焊縫晶粒尺寸增大并不明顯，δ鐵素體的體積分數略有增多，且尺寸增大。

大焊接規范的DPW、DTM與較小焊接規范的RPW、RTM焊縫相比，其焊縫的晶粒明顯粗大，但δ鐵素體含量明顯減少，HAZ的晶粒長大仍不明顯。

圖5 焊接及熱處理規范對焊縫沖擊功的影響

圖6 接頭的宏觀照片

使用HXS-1000A型數字式顯微硬度計測試焊縫組織硬度，載荷100 g，加載時間15 s。焊縫組織硬度測試結果如圖7所示。白亮鐵素體帶的硬度較低，最低硬度不足200HV，而馬氏體硬度達到317HV，進一步證實了白亮的長條狀組織為δ鐵素體。

圖7 接頭的微觀照片及顯微硬度照片

5 結論

（1）在保護氣體一定的條件下，焊接規范對焊縫化學成分無明顯影響，焊縫w（Ni+Mn）≤1.2%，符合ASME規范要求。

（2）在相同的熱處理規范下，焊接規范對焊縫強度的影響不大，對焊縫的沖擊韌性有一定影響，隨焊接規范的增大，沖擊韌性呈下降趨勢。

（3）焊后熱處理規范對焊縫強度的影響較大，隨著熱處理溫度的升高和保溫時間的延長，強度、硬度都呈下降趨勢，焊縫沖擊韌性有所提高，相比之下，焊絲E91T1-B9M1焊縫沖擊韌性提高幅度較大。

（4）焊絲E91T1-B9M1和 E91T1-B9M2焊縫中均觀察到“帶狀”δ鐵素體，應與其藥芯焊絲合金元素的均勻性有關。為避免δ鐵素體的不利影響，改善焊縫性能，應確保藥粉本身成分的均勻性及藥粉在焊絲中分布的均勻性，并在不過度降低AC1點的情況下，適當增加焊縫中Ni、Mn等奧氏體化元素含量。

（5）焊接電流 220～240 A、電壓 26～30 V，保護氣體 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，流量 15～25 L/min，焊后熱處理規范為760℃/4 h時，焊絲E91T1-B9M1和E91T1-B9M2接頭的力學性能最佳。強度有較大的余度，焊縫的室溫沖擊功達到41 J以上，能夠滿足標準要求。

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