P91與P22低匹配材料的焊接接頭研究

武云龍，徐祥久，2

1.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司 黑龍江哈爾濱 150046

2.高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室 黑龍江哈爾濱 150046

1 序言

因為國內電站鍋爐超臨界、超超臨界技術的發展迅速，對材料的要求也不斷提升，所以SA-335P91（以下簡稱P91）大口徑鋼管在國內外火力發電機組中得到了廣泛應用。在國外的鍋爐項目中，采用ASME標準的材料居多，因此在過熱器集箱及管道等結構中常見P91和SA-335P22（以下簡稱P22）材料異種鋼焊接接頭。目前，國內外對異種鋼焊接多采用與P91母材化學成分相當的高匹配焊材。

P91屬于馬氏體耐熱鋼，具有優良的高溫強度和抗高溫氧化性[1，2]，但由于合金元素含量較高，因此焊接性較差。P22中含有Cr、Mo、Mn等合金元素，淬硬性顯著提高，焊接過程中很容易導致熱影響區硬化、焊后冷裂紋的產生[3，4]。P91和P22異種鋼的焊接接頭容易出現淬硬傾向并產生裂紋，接頭區域容易出現碳遷移的問題。因為熔合區化學成分差異較大，所以熔合區兩側容易產生增碳和脫碳現象，P91側產生粗大的碳化物，P22側形成較寬的脫碳層，形成低強度脆性接頭。因此，研究P91與P22焊接接頭的性能，了解其接頭的組織形貌，對于國內外鍋爐機組的應用具有重要意義和實用價值。

2 試驗材料及方法

（1）試驗材料 試驗采用φ324mm、壁厚為24mm的P91和P22大口徑管進行異種鋼對接及接頭性能研究，其力學性能見表1。

表1 兩種鋼管的力學性能

（2）試驗方法 本試驗采用E60-B3等級焊材，采用手工氬弧焊（M-GTAW）封底，焊條電弧焊（SMAW）填充蓋面的焊接方法，焊后進行（745±15）℃×5h消除應力退火處理。試驗主要焊接參數見表2。

表2 主要焊接參數

根據NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》的要求[5]，制備焊接接頭的拉伸、彎曲等試樣并進行常溫力學性能測試；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[6]，制備焊接接頭的高溫拉伸試樣，分別進行450℃、500℃、550℃、600℃不同試驗溫度下的高溫力學性能測試。

3 試驗結果

（1）金相組織 圖1所示為200倍金相顯微鏡下焊接接頭的微觀組織。由圖1可知，在P91和P22異種鋼焊接接頭的焊縫區為綜合性能優良的回火貝氏體，還有少量的回火馬氏體。P91側熱影響區為晶粒細小的回火馬氏體組織，P22側熱影響區為貝氏體和鐵素體，晶粒尺寸相對粗大。

圖2所示為P91側熔合線附近的組織形貌，由圖2可知，在緊鄰P91母材側的焊縫區域中出現帶狀分布的鐵素體帶狀區域。產生鐵素體帶狀區域的原因主要是焊縫一側由于C元素遷移造成的[7]。

圖1 焊接接頭的微觀組織（200×）

圖2 熔合線附近組織形貌

（2）常規力學性能 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、彎曲和沖擊試樣并進行常溫力學性能測試，抗拉強度分別為526MPa、520MPa，均高于表1中P22母材抗拉強度的下限值，而且斷裂位置均在P22母材上，說明焊接接頭強度滿足使用要求。

在經180°彎曲試驗后，焊接接頭的4個橫向側彎試樣的彎曲受拉面及其棱角上均未發現任何開口缺陷，焊接接頭表現出優良的塑性。彎曲試樣外觀形貌如圖3所示。

圖3 彎曲試樣外觀形貌

按圖4所示測試位置進行硬度檢測，在兩側母材、兩側熱影響區和焊縫5個區域內各測試3點，硬度檢測結果見表3。

圖4 硬度測試位置

表3 焊接接頭硬度檢測結果 （HV10）

（3）高溫拉伸試驗 按照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。試驗溫度分別為450℃、500℃、550℃、600℃。表4為P91和P22異種鋼焊接接頭在不同溫度下的高溫拉伸試驗結果，其中屈服強度值滿足標準要求。

表4 焊接接頭高溫拉伸試驗結果

4 結束語

在P91與P22異種鋼的焊接中，選用化學成分、力學性能與P22等級材料相匹配的焊接材料（即低匹配原則）獲得的焊接接頭，各項力學性能指標均可以滿足要求。450～600℃下的高溫抗拉強度、屈服強度也滿足標準要求。在接頭區域的焊縫組織為性能優良的回火貝氏體+少量回火馬氏體，但是在P91側熱影響區中形成了較寬范圍的鐵素體帶，如果作為電站鍋爐承壓部件并長期運行，會存在一定隱患。