E60-B3等級材料焊接SA-335P91和12Cr1MoVG異種鋼接頭組織及性能

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(高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室 哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

0 前言

SA-335P91鋼屬于高強度馬氏體耐熱鋼，具有優良的高溫強度、沖擊韌性、抗氧化性能及抗高溫蒸汽腐蝕性能。目前，SA-335P91主要用于亞臨界、超臨界火電機組鍋爐的過熱器、再熱器高溫段[1-2]。12Cr1MoVG鋼屬于珠光體耐熱鋼，具有較高的持久強度、抗氧化性和熱強性，是國內火電機組鍋爐受熱面的主力鋼種[3]。國內現有鍋爐產品中，普遍存在大量SA-335P91和12Cr1MoVG的異種鋼焊接接頭。

目前，國內外對于SA-335P91和12Cr1MoVG異種鋼的焊接材料主要是使用與SA-335P91相近成分的E60-B9等級的焊接材料[4-5]；E60-B9等級的焊接材料屬于馬氏體組織的耐熱鋼，焊接工藝性能差，材料成本高?？紤]SA-335P91和12Cr1MoVG兩種材料的成分和性能差別較大，選用成分和性能介于兩者之間的E60-B3等級的焊接材料，在保證接頭性能的前提下，同時提高焊接材料的焊接工藝性能。針對SA-335P91和12Cr1MoVG異種鋼的焊接接頭選用E60-B3等級焊接材料進行焊接試驗，研究焊接接頭的微觀組織和力學性能，驗證E60-B3等級焊接材料的適用性。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

焊接試驗中使用試驗材料為SA-335P91和12Cr1MoVG鋼管，鋼管規格φ324 mm×25 mm，SA-335P91和12Cr1MoVG鋼管的化學成分見表1。試驗中使用E60-B3等級焊接材料，相應的氬弧焊焊絲為ER62-B3φ2.5 mm，焊條為 E6215-2C1Mφ3.2 mm，φ4.0 mm，φ5.0 mm具體的化學成分見表1。焊接材料中主要合金元素Cr含量為2.0%～2.7%，介于SA-335P91和12Cr1MoVG兩種鋼管的Cr含量之間。表2為SA-335P91和12Cr1MoVG鋼管的常溫及高溫力學性能。

1.2 焊接工藝

SA-335P91和12Cr1MoVG的焊接接頭采用60° V形坡口，采用手工氬弧焊封底焊接，焊條電弧焊進行填充和蓋面焊接，焊接工藝參數見表3。焊后進行消應力熱處理。

1.3 試驗方法

研究SA-335P91和12Cr1MoVG異種鋼焊接接頭的常溫性能、高溫性能及微觀組織。根據標準NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》的要求[6]，制備焊接接頭的拉伸、彎曲和沖擊韌性等試樣進行常溫力學性能測試；并使用Axiovert 200 MAT蔡司金相顯微鏡對焊接接頭微觀組織進行觀察和分析；按照標準GB/T 4338—2006《金屬材料 高溫拉伸試驗方法》的要求[7]，制備焊接接頭的高溫拉伸試樣，分別進行520 ℃，540 ℃，560 ℃，580 ℃，600 ℃不同試驗溫度下的高溫力學性能測試。

表1 母材和焊接材料的化學成分

表2 SA-335P91和12Cr1MoVG鋼管的力學性能

表3 焊接工藝參數

2 試驗結果與分析

2.1 焊接接頭微觀組織

通過金相顯微鏡對SA-335P91和12Cr1MoVG焊接接頭中兩側母材、熱影響區(HAZ)和焊縫的微觀組織進行觀察分析。圖1為SA-335P91和12Cr1MoVG兩種母材的組織，其中SA-335P91組織為回火馬氏體，12Cr1MoVG組織為鐵素體+貝氏體+珠光體。

圖1 母材組織

SA-335P91與12Cr1MoVG兩種母材的金相組織存在較大的差異性，因此，整個焊接接頭中與兩側母材相鄰的熱影響區的微觀組織也不同。圖2為12Cr1MoVG母材側熱影響區及相鄰的焊縫區的微觀組織，熱影響區為鐵素體+貝氏體+珠光體組織。熱影響區組織的晶粒尺寸呈現由細到粗的變化，圖2a中12Cr1MoVG側的熱影響區遠離熔池中心的高溫區，而靠近12Cr1MoVG母材一側的低溫區，焊后冷卻速度較快形成尺寸相對細小的微觀組織；圖2b中熱影響區與焊縫的界線清晰，焊縫區為貝氏體+鐵素體組織，而與焊縫相鄰的熱影響區，由于焊縫熔池溫度高、冷卻速度慢，晶粒尺寸相對粗大。

圖2 12Cr1MoVG側焊縫和熱影響區組織

圖3為SA-335P91側焊縫和熱影響區組織，由于焊縫填充金屬與馬氏體鋼SA-335P91組織的不同，因此SA-335P91側焊縫、熱影響區和母材的組織界限明顯，焊縫組織為貝氏體+鐵素體，而在緊鄰SA-335P91母材側的焊縫區域中出現帶狀分布的鐵素體區域，鐵素體區域寬度200～260 μm。分析產生鐵素體帶狀區域的原因主要是SA-335P91母材中含有大量的Cr，Mo，V等強碳化物形成的元素，易與焊縫金屬的C元素形成碳化物，而且C原子尺寸小，擴散速度快，因而在SA-335P91側形成碳化物富集的馬氏體組織，形成SA-335P91側熱影響區；而在焊縫一側由于C元素遷移形成鐵素體帶狀區域，硬度較低和蠕變性能較差的鐵素體組織直接導致焊接接頭的蠕變性能降低[8-11]。

圖3 SA-335P91側焊縫和熱影響區組織

2.2 焊接接頭力學性能

根據標準NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》的取樣要求，制備焊接接頭的拉伸、彎曲和沖擊韌性等試樣進行常溫力學性能測試。表4為焊接接頭的常溫拉伸和彎曲的試驗結果，其中焊接接頭的抗拉強度均高于表2中12Cr1MoVG母材抗拉強度的下限值，而且斷裂位置均在12Cr1MoVG母材上；焊接接頭的橫向側彎試樣也未發現開裂現象。SA-335P91和12Cr1MoVG異種鋼中匹配焊接接頭的常溫拉伸和彎曲性能均能滿足要求。

表4 焊接接頭拉伸和彎曲試驗結果

對焊接接頭的焊縫及兩側的熱影響區進行沖擊試驗。試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm，每個位置取3個沖擊試樣，沖擊試驗溫度為20 ℃，沖擊試驗結果見表5，焊縫和熱影響區的沖擊吸收能量均滿足要求。

表5 沖擊試驗結果

由于SA-335P91和12Cr1MoVG異種鋼焊接接頭多用于過熱器、再熱器等部件受熱面中，運行溫度在500～580 ℃范圍內，因此，對焊接接頭進行高溫性能試驗。按照標準GB/T 4338—2006《金屬材料 高溫拉伸試驗方法》的要求加工高溫拉伸試樣，拉伸試樣的中心設置在12Cr1MoVG側的熱影響區，試樣尺寸如圖4所示。試驗溫度分別為520 ℃，540 ℃，560 ℃，580 ℃，600 ℃。

圖4 焊接接頭高溫拉伸試樣

表6為不同溫度下的拉伸試驗結果。圖5為高溫拉伸試驗后的斷裂位置，可以看出斷裂均發生在12Cr1MoVG母材上。與表2中兩種母材的高溫屈服強度比較，可以看出焊接接頭的高溫屈服強度普遍高于兩種母材，均能滿足要求。

表6 高溫拉伸試驗結果

圖5 高溫拉伸試樣斷裂位置

3 結論

(1)SA-335P91+12Cr1MoVG異種鋼焊接接頭，焊縫區為貝氏體+鐵素體組織，緊鄰SA-335P91側的焊縫區出現帶狀的鐵素體，寬度為200～260 μm，易導致焊接接頭的蠕變性能降低，影響焊接接頭的高溫服役壽命。

(2)SA-335P91+12Cr1MoVG異種鋼焊接接頭，常溫狀態下焊接接頭的抗拉強度、彎曲性能和沖擊韌性均能滿足要求。

(3)SA-335P91+12Cr1MoVG異種鋼焊接接頭，在520～600 ℃高溫狀態下，焊接接頭的高溫屈服強度高于SA-335P91和12Cr1MoVG兩種母材的屈服強度值，均能滿足要求。