T-P92鋼管道內壁堆焊Inconel625工藝探討

林臣

【摘 要】通過對T-P92鋼管道內壁堆焊Inconel 625的工藝探討，研究了堆焊接頭的組織和力學性能。研究結果表明，通過合理的焊接工藝和熱處理，堆焊焊縫整齊，側壁熔合良好，無氣孔等缺陷。P92鋼熱影響區的組織為馬氏體，并分為粗晶區和細晶區。堆焊界面中P92鋼粗晶區的硬度最大，經熱處理后硬度降低。化學成分符合要求，Fe<5%，機械性能良好。

【關鍵詞】T-P92，熱絲氬弧焊，625合金，顯微組織;力學性能

【中圖分類號】TG457 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）05-0110-04

0 前言

目前，國內大型電站亞臨界、超臨界、超超臨界機組中的主輔機設備已基本實現了國產化，其中包括1 000 MW超超臨界機組的重要主輔設備，這些超超臨界技術的應用，可以提高發電機組的效率、減少有害物質的排放，已經得到廣泛應用。隨著發電機組容量的增大，機組內的溫度和壓力也增大，這對材料的高溫性能提出了更高的要求[1]。鐵素體/馬氏體鋼和鎳基超合金都被廣泛用做高溫條件下的結構材料。P92鋼具有良好的蠕變性能、延性和韌性及抗孔洞性能，已被廣泛應用于發電設備中[2]。Inconel 625合金屬于固溶強化的鎳基超合金，其內部含有大量的Cr、Mo、Fe和Nb原子，具有很好的耐腐蝕性能及蠕變性能。P92鋼可承受的蒸汽溫度高達625 ℃，而Inconel 625合金的使用溫度更高，而在閥門內壁通道中堆焊耐腐蝕合金，使其除了擁有P92鋼的耐高溫延性和韌性以外，同時具有較高的耐高溫腐蝕性[3]。

在發電機組中，部分通道工況需要耐高溫腐蝕的需求也越來越多，采用熱絲氬弧焊工藝進行T-P9管道內壁的Inconel625堆焊，能夠滿足客戶對堆焊層的低稀釋率要求，同時具備有其他優勢，如能夠對小孔徑的管道內壁堆焊，出現氣孔未熔合的焊接缺陷概率比其他焊接工藝少[4]。目前，有關P92/Inconel 625內壁堆焊的研究鮮有報道。

本文采用熱絲氬弧焊焊接技術焊進行厚度為25.4 mm的T-P92管道內壁堆焊Inconel 625焊接，研究了接頭顯微組織與力學性能的變化，為后續的研究和工業應用提供了參考。

1 試驗材料與方法

選擇P92鋼作為試驗母材，選用Inconel 625（ERNiCrMo-3 φ1.2mm）焊絲作為堆焊填充材料，其化學成分見表1。SA335-P92鋼的常溫力學性能見表2。

采用Fronius緊湊型堆焊專機進行堆焊焊接試驗如圖1所示。母材尺寸為φ230×L180×T25.4 mm，堆焊焊接工藝參數見表3。

2 焊接過程控制

2.1 焊前工件準備

將試樣待焊面不銹鋼鋼絲刷拋光，去除油、漆、垢、銹、毛刺，對內壁進行100%著色檢驗，確保工件無裂紋，檢驗結束后用丙酮擦拭多余的藥劑。

2.2 焊前預熱

施焊之前對試樣進行預熱，預熱溫度為150～200 ℃，道間溫度不小于150 ℃，預熱達到150 ℃后，操作人員每隔30 min用紅外線測溫儀進行4點位置的測量、記錄和控制，超過200 ℃時，需暫停焊接，等溫度降下來之后才能繼續焊接，檢驗員不定期巡查測溫記錄和測溫。合金層焊后立即進行焊后消除應力處理，650 ℃+2 h。

2.3 焊后熱處理

焊接結束后，進行300～350 ℃的消氫處理，然后冷卻至室溫，熱電偶分布均勻，之后進行去應力退火處理，（760±10）℃×1 h隨爐空冷。

3 堆焊后結果與分析

3.1 焊接接頭宏觀形貌

P92/Inconel 625堆焊橫截面的宏觀形貌如圖2所示。可以看出，堆焊接頭總共有2層，每層高度約2 mm，寬度為3～4 mm，從上到下的寬度相近，焊縫形狀齊整。超聲檢測結果表明，焊縫內部沒有產生側壁未熔合、氣孔等缺陷。各試樣取樣位置如圖2所示。

3.2 焊接接頭的顯微組織

圖3顯示試樣橫截面完全熔合，無裂紋缺陷。熔合線和堆焊層無晶界碳化物、內部金屬夾層等連續析出跡象[5]。

P92鋼熱影響區（HAZ）的形貌如圖4所示，依據晶粒的形貌將其分為粗晶區（CGHAZ）和細晶區（FGHAZ）。可以看出，P92鋼熱影響區的寬度約0.5 mm。較小的熱影響區可以提高接頭的力學性能[6]。由于熱絲TIG焊的熱輸入量較小，熱影響區中沒有生成鐵素體，因此熱絲TIG焊對提高P92+Inconel 625堆焊接頭的力學性能具有積極作用[7]。

P92鋼熱影響區中粗晶區和細晶區的微觀形貌如圖5所示。粗晶區中的P92鋼在加熱過程中經歷了從回火馬氏體到奧氏體的相變，由于原馬氏體邊界處起強化作用的碳化物溶解于奧氏體，因此高溫條件下的奧氏體粗化長大[8]。在隨后的冷卻過程中，奧氏體轉化為淬火馬氏體，形成粗晶區。在粗晶區中沒有發現削弱接頭韌性的高溫鐵素體[9]。細晶區形成在靠近P92鋼一側，其尺寸小于粗晶區的。細晶區經歷的熱循環峰值溫度小于粗晶區，碳化物沒有完全溶解，剩余的碳化物具有抑制晶粒長大的作用，從而形成細晶區。經過熱處理后，淬火馬氏體經歷了向回火馬氏體的轉變，原奧氏體晶粒尺寸沒有變化。

3.3 焊接接頭力學性能

3.3.1 熱處理后焊接接頭的顯微硬度

如表4和圖6所示，Inconel 625合金第二層的顯微硬度為244 HV，P92鋼的顯微硬度為220 HV。鎳基高溫合金的高溫穩定性能好。

3.3.2 拉伸強度

經過熱處理的焊接接頭拉伸試驗結果見表5。

側彎性能試驗結果見表6，分別在堆焊層1.5和3.0位置處取樣，180°無裂紋等缺陷顯示。

3.3.3 沖擊性能

-60 ℃下焊接接頭沖擊試驗的結果見表7。Inconel 625合金的最大沖擊功為220 J，P92鋼縱向距離熔合線3 mm處的最小沖擊功為62 J，熱影響區橫向最低的沖擊功為64 J。P92鋼的顯微組織主體為板條馬氏體，邊界含有碳化物M23C6，馬氏體之間含有少量的高溫鐵素體，高溫鐵素體的脆性大，裂紋既可以沿著晶間擴展，也可以在高溫鐵素體晶粒內擴展[10-11]。焊接機頭沖擊斷口的形貌如圖7所示。可以看出，Inconel 625合金的沖擊斷口呈大而深的韌窩;P92鋼的斷口呈明顯的河流花樣，屬于脆性斷裂。

3.3.4 化學成分

距離熔合線3 mm處堆焊層的化學成分分析見表8，各化學成分均合格，鐵含量<5%。

3.3.5 晶間腐蝕試驗

按ASTM 262-14方法E進行24 h晶間腐蝕試驗，經彎曲后放大檢查，試樣未出現因晶間腐蝕而產生的龜裂或裂紋[12]（如圖8所示）。

4 結論

通過熱絲TIG堆焊技術，實現了25.4 mm管子的P92鋼與Inconel 625合金的堆焊，研究了焊接接頭的組織和力學性能，得到以下結論。①焊接堆焊層組織性能良好，化學成分符合要求，Fe含量<5%。②P92鋼熱影響區寬度為0.5 mm左右，P92鋼熱影響區中沒有高溫鐵素體生成。③堆焊層經24 h晶間腐蝕試驗，彎曲后經放大鏡檢查無龜裂或裂紋。④運用熱絲TIG堆焊技術，能夠滿足P92管子的內壁Inconel 625耐腐蝕合金的堆焊要求。

參 考 文 獻

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[責任編輯：陳澤琦]