坡口角度對P91管道TIG自動焊對接接頭組織及 力學性能的影響

徐偉，馮英超，劉金平，吳闖

1.中國核工業二三建設有限公司霞浦示范快堆項目部 北京 102401

2.核工業工程研究設計有限公司 北京 101320

1 序言

P91鋼是采用細晶化、微合金化冶金，以及控軋、控冷等工藝開發的一種新型馬氏體耐熱鋼[1]。坡口角度是影響焊縫成形、焊接稀釋率、熔合區形狀的一個重要焊接工藝因素，甚至還影響焊接電弧的穩定性[2]。本文通過金相組織分析及力學性能試驗，研究了不同坡口角度條件下接頭的金相組織及力學性能，并對不同坡口形式下焊接效率進行分析，為后續P91管道自動焊的效率提升提供依據。

2 試驗材料和試驗方法

2.1 試驗材料

母材采用SA355-P91材質、尺寸為φ406.4mm×40.49mm的管道。主要化學成分及力學性能見表1、表2[3]。

試驗用焊接材料為GB/T 8110—2016《小型水電站機電設備導則》規定的φ1.0mm的ER62-B9焊絲，其主要熔敷金屬力學性能見表3。

表3 ER62-B9熔敷金屬力學性能

2.2 試驗方法

試驗采用U形坡口，三組試件坡口角度主要為7°、20°、30°，如圖1所示。坡口由機械加工而成，焊前用砂輪機對坡口進行修磨，保證無油污及其他雜質。采用焊條電弧焊或TIG焊焊接打底焊道，焊接3mm以上后進行自動焊填充、蓋面，并全程采用相同的焊接參數。

圖1 三組試件坡口示意

試驗采用自主研發的管道TIG自動焊設備，焊接位置為立焊，保護氣體為99.99%Ar，全程氣體流量為50～60L/min。自動焊填充、蓋面焊接參數見表4。

表4 自動焊填充、蓋面焊接參數

焊接完成后立即進行熱處理，首先將試件溫度降低至90℃保溫2h進行馬氏體轉變[4]，再升溫至760℃保溫4h[5]，而后隨爐冷卻降至室溫完成熱處理。焊接設備、焊接過程及焊接成形如圖2所示。

圖2 焊接設備、焊接過程及焊接成形

2.3 焊道排布情況

3組試件均采用多層多道焊方式開展焊接作業。具體焊道排布見表5。

表5 焊道排布

3 試驗結果與分析

在3組試件的相同焊接位置處截取試樣，從自動焊填充區域取樣，分別進行金相、沖擊、硬度及拉伸試驗，得到不同坡口角度下焊后接頭及熱影響區顯微組織和力學性能，并對試驗結果進行對比。

3.1 坡口角度對焊縫組織的影響

3組試樣的顯微組織如圖3所示。采用ER62-B9焊接的P91管道接頭組織均為回火馬氏體+少量δ鐵素體，馬氏體呈板條狀。

圖3 P91鋼焊縫組織（200×）

3組試件視場內組織均勻連續，未發現過熱粗大組織。但坡口角度7°的焊縫組織馬氏體形態最為細小，其余兩個試件組織形態及大小接近。視場內δ鐵素體含量隨坡口角度增大有增加的趨勢。

3.2 坡口角度對沖擊性能的影響

3組試樣的常溫沖擊試驗結果如圖4所示。由圖4可知，隨著坡口角度的增大，焊縫區及熱影響區沖擊吸收能量隨之增加。

圖4 常溫沖擊試驗結果

3.3 坡口角度對硬度的影響

3組試樣的硬度試驗結果見表6，包括焊縫區、熱影響區、焊腳區、母材區。由表6可見，坡口角度的變化對焊縫區、熱影響區硬度值基本無影響，可知TIG自動焊對硬度影響相對較小，影響P91材質焊縫區、熱影響區硬度的主要因素為熱處理過程；焊腳區、母材區硬度值存在一定的差異，應是母材本身硬度原因導致。

表6 3組試樣的硬度試驗結果

3.4 坡口角度對抗拉強度及屈服強度的影響

3組試樣的拉伸試驗結果如圖5所示。由圖5可知，在常溫拉伸試驗中抗拉強度隨坡口角度的增加而增加，但整體變化范圍不大，均高于母材585MPa的規定值；在525℃高溫拉伸試驗中，抗拉強度基本不隨坡口角度的變化而變化，但其屈服強度值變化較為明顯，其中20°坡口屈服強度最大，隨坡口角度的增加呈現先上升后下降的趨勢。

圖5 拉伸試驗結果

4 焊接效率對比分析

由于每道焊縫焊接速度相同，填充焊道每道焊接時間約為20min，組對預熱時間約為4h，每道焊縫焊前準備時間約5min。當層間溫度超過250℃后需冷卻至200℃，然后再繼續開展焊接作業。其有效焊接時間及實際完成時間對比見表7。

表7 有效焊接時間及實際完成時間對比

由表7可知，隨坡口角度增加，有效焊接時間占比呈下降趨勢，因此增加坡口角度不利于TIG自動焊效率的提高。

5 結束語

1）采用ER62-B9焊絲焊接P91管道，其焊縫組織為回火馬氏體+少量δ鐵素體。

2）隨坡口角度增加，焊縫沖擊吸收能量、常溫抗拉強度有所提高，硬度和高溫抗拉強度無明顯變化。

3）對于不同坡口角度的力學性能進行綜合分析，其沖擊吸收能量、硬度、抗拉強度均遠高于母材規定值，滿足ASME標準要求。

4）在一定范圍內減小坡口角度，可有效提高TIG自動焊焊接效率。