竺 凌

（上海電氣電站設(shè)備有限公司上海電站輔機(jī)廠，上海 200090）

P91與20Mn Mo材料焊接工藝的研究

竺 凌

（上海電氣電站設(shè)備有限公司上海電站輔機(jī)廠，上海 200090）

某型蒸汽冷卻器筒身采用的材料為P91，該材料使用在國(guó)內(nèi)冷卻器制造中尚屬首次。按冷卻器的圖紙要求，P91材料需與20Mn Mo低合金鋼材料進(jìn)行焊接，P91材料屬于回火馬氏體組織，這2種材料無(wú)論是在力學(xué)性能還是在化學(xué)成分上，均有很大的差異。通過(guò)試驗(yàn)，針對(duì)此類異種材料的焊接，選擇了合適的焊材及合理的焊接工藝，確保了焊縫的焊接質(zhì)量。

超超臨界；冷卻器；P91材料；低合金鋼；異種鋼；焊接；焊材；工藝

0 概 述

江蘇泰州電廠采用了國(guó)內(nèi)首個(gè)百萬(wàn)級(jí)超超臨界二次再熱機(jī)組，也是當(dāng)今較先進(jìn)的綠色低碳發(fā)電機(jī)組。該機(jī)組的建成，標(biāo)志著我國(guó)火力發(fā)電制造技術(shù)有了新的突破。

在二次再熱機(jī)組中，蒸汽冷卻器管板采用了20Mn Mo低合金材料，蒸汽冷卻器的殼程部分采用了Gr91／T91高合金材料，該類材料應(yīng)用在壓力容器中，在國(guó)內(nèi)尚屬首次。P91鋼是一種改進(jìn)型的9Cr－1Mo鋼，該材料是在9Cr－1Mo鋼的基礎(chǔ)上，通過(guò)添加V、Nb、N等合金元素后形成的馬氏體鋼。P91鋼的熱膨脹系數(shù)低，導(dǎo)熱性好，是一種物理性能較好的熱強(qiáng)鋼。但與低合金材料20Mn Mo焊接時(shí)，因2種材料的差異大，可焊性較差，所以，對(duì)焊接工藝和熱處理均有嚴(yán)格的要求。

1 異種鋼焊接的可行性分析

1.1 材料的特性

P91是介于珠光體耐熱鋼與奧氏體不銹鋼之間的鋼種，由于含Cr量較高，所以抗氧化性很好，在高于580℃溫度中，該材料的高溫持久強(qiáng)度比一般常用的珠光體耐熱鋼高，并且還有較好的抗蠕變性能。但P91淬硬傾向大，焊后在殘余應(yīng)力及擴(kuò)散氫的共同作用下，冷裂傾向較大，其可焊性較差。

20Mn Mo是一種C－Mn低合金鋼，金相組織為珠光體＋鐵素體，該材料中的Mn元素能提高鋼的強(qiáng)度，并隨著Mn含量的增加，鋼的強(qiáng)度和硬度也會(huì)提高。鋼中的Mo元素在固溶于鐵素體和奧氏體時(shí)，可顯著提高鋼的再結(jié)晶溫度，提高回火穩(wěn)定性，使調(diào)質(zhì)后韌性得到改善。20Mn Mo低合金鋼的淬硬傾向雖比碳素鋼大，但要比P91小，冷裂的傾向一般，可焊性尚可。因此，20Mn Mo材料具有強(qiáng)度高、韌性佳、焊接性能好的特點(diǎn)。

2種材料的化學(xué)成分，如表1所示。2種材料的力學(xué)性能，如表2所示。

表1 P91及20MnMo材料的化學(xué)成分 （%）

表2 P91與20MnMo材料的力學(xué)性能

1.2 焊接特性

因P91材料的合金元素含量高，在焊接熱循環(huán)作用下，焊縫及熔合線附近的晶粒急劇長(zhǎng)大，易出現(xiàn)淬硬的馬氏體組織，使焊縫金屬的脆性增加，冷裂敏感性大。

當(dāng)P91焊縫及熱影響區(qū)域經(jīng)電弧加熱后，材料溫度將超過(guò)1 100℃，奧氏體晶粒會(huì)迅速長(zhǎng)大。如在1 100℃以上停留時(shí)間越長(zhǎng)，晶粒粗化越嚴(yán)重，在隨后冷卻過(guò)程中會(huì)形成粗大的馬氏體組織，從而降低焊接接頭的沖擊紉性。所以，在焊接P91材料時(shí)，必須嚴(yán)格控制焊接線能量，盡可能減少焊材輸入量。但是，焊接線能量也不宜過(guò)小，小則冷卻過(guò)快，電弧一旦離開(kāi)，熔池馬上開(kāi)始迅速降溫，冷卻達(dá)到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度以下后容易出現(xiàn)淬硬組織，形成粗大的馬氏體組織，導(dǎo)致脆化。因此，凡與P91材料焊接時(shí)，須采取預(yù)熱措施，并對(duì)層間溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。預(yù)熱溫度選在馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)附近（推薦值為200～250℃），防止焊縫冷卻過(guò)快形成淬硬組織。焊接的層間溫度應(yīng)控制在300℃以下，防止焊縫高溫停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，形成粗大晶粒。

由此可見(jiàn)，對(duì)于P91與20Mn Mo材料的焊接，要求具備嚴(yán)格的工藝措施，稍有不慎，焊縫就存在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

此外，由于P91馬氏體鋼加入 Mo、V、W等易形成碳化物的元素，從而在焊接中會(huì)導(dǎo)致碳的遷移。馬氏體鋼Cr含量高，Cr與C的親和力又很強(qiáng)，在馬氏體鋼一側(cè)，將因碳的遷入而形成增碳層，在低合金鋼一側(cè)由于碳的遷出，形成脫碳層。如果焊后除應(yīng)力的保溫溫度或保溫時(shí)間設(shè)置不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致碳分子的擴(kuò)散，將大大增加焊縫失效的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 焊后熱處理

在國(guó)家能源局頒布的標(biāo)準(zhǔn)（NB／T 47014－2011）母材分類表中，P91，20Mn Mo分別屬于Fe－5B－2和Fe－3－2，2種材料的焊后熱處理保溫溫度規(guī)定完全不同。20Mn Mo材料下轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度Ac1為730℃，交貨狀態(tài)：淬火＋回火（Q＋T），調(diào)質(zhì)處理的回火溫度在650℃左右。根據(jù)NB／T 47015－2011標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：焊后熱處理溫度不但應(yīng)低于下相變點(diǎn)Ac1，還應(yīng)低于調(diào)質(zhì)處理的回火溫度。因此，20Mn Mo材料焊后熱處理溫度為600～650℃，與P91的焊后熱處理溫度（730～770℃）沒(méi)有交集。

1.4 異種鋼焊接工藝的制定

P91與20Mn Mo材料焊接工藝復(fù)雜，直接焊接后最關(guān)鍵的瓶頸就是焊后熱處理無(wú)法進(jìn)行。因此，該異種接頭直接焊接的可行性不存在。綜合異種鋼的焊接方法后，認(rèn)為可采用堆焊過(guò)渡層的工藝方法。

對(duì)2種母材的材質(zhì)進(jìn)行了分析，有2種可選用的堆焊層工藝方案。（1）采用鎳基過(guò)渡層。（2）采用比P91鉻、鉬（Cr、Mo）含量低的過(guò)渡層（如2.25Cr－1Mo）。方案2的制造成本較低，但2.25Cr－1Mo耐熱鋼過(guò)渡層與20Mn Mo材料焊接也有焊后熱處理問(wèn)題。按NB／T 47015－2011《壓力容器焊接規(guī)程》表5條款要求，2.25Cr－1Mo類材料推薦的熱處理溫度需≥680℃，雖然可適當(dāng)降低熱處理溫度（最低熱處理溫度≥650℃），并延長(zhǎng)保溫時(shí)間來(lái)規(guī)避，但根據(jù)該類鉻鉬鋼材質(zhì)的特點(diǎn)，如果熱處理溫度過(guò)低，可能會(huì)影響其焊接接頭的沖擊性能，而且≥650℃的焊后熱處理也達(dá)到了20Mn Mo調(diào)質(zhì)處理的回火溫度，違背了標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。

綜合各項(xiàng)影響因素后，最后還是選擇了方案1開(kāi)展焊接試驗(yàn)和分析。分別對(duì)P91、20Mn Mo材料進(jìn)行堆焊，采用鎳基材料作為過(guò)渡層，堆焊層厚度應(yīng)保證一定高度，目的是保證焊縫金屬逐漸過(guò)渡到純鎳基材料。堆焊后，各自按母材規(guī)定的熱處理溫度進(jìn)行焊后熱處理，最后演變成過(guò)渡層與過(guò)渡層的對(duì)接，且鎳基材料對(duì)接后不再進(jìn)行焊后熱處理。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試驗(yàn)材料及焊接工藝

試驗(yàn)時(shí)選用SA182F91及20Mn Mo鍛件作為母材，試件厚度為40 mm。試件過(guò)渡層及對(duì)接填充焊材均采用高匹配625鎳基材料。過(guò)渡層堆焊材料：焊帶材料為EQNiCr Mo－3；對(duì)接填充材料：埋弧焊絲ERNiCr Mo－3；焊條材料ENiCr Mo－3。焊材的化學(xué)成分，如表3所示。

表3 鎳基焊材的化學(xué)成分 （%）

母材坡口側(cè)采用電渣焊方法堆焊鎳基過(guò)渡層。在堆焊過(guò)程中，應(yīng)采用小線能量焊接，焊后急速冷卻；層間溫度不宜過(guò)高，建議控制在150℃以下；堆焊至一定高度后，在后繼的每層堆焊中，應(yīng)用非鐵基砂輪打磨堆焊層表面，清除焊縫表面的有害雜質(zhì)。

堆焊后母材按各自材料規(guī)定的熱處理溫度進(jìn)行焊后熱處理。

熱處理后，母材坡口側(cè)開(kāi)X型對(duì)稱坡口，坡口角度為2×35°，坡口間隙0～2 mm，堆焊層距離母材保證一定高度。坡口型式及尺寸，如圖1所示。

圖1 SA182F91、20Mn Mo對(duì)接坡口型式

施焊時(shí)，讓試件始終處于平焊位置。采用手工電弧焊（SMAW）＋埋弧自動(dòng)焊（SAW）的施焊方法，各焊20 mm。先采用手工電弧焊方法焊接一側(cè)，反面清根后，再采用埋弧焊方法焊妥另一側(cè)。采用多層多道小規(guī)范參數(shù)進(jìn)行焊接。

2.2 機(jī)械性能試驗(yàn)

試件經(jīng)外觀檢查及X射線無(wú)損檢測(cè)合格后，按NB／T 47014－2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》的規(guī)定切取試樣。接頭拉伸試樣按GB／T 228規(guī)定要求，將試樣放在200T萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；側(cè)彎試樣按GB／T 2653規(guī)定要求，放置在三缸彎曲試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)；按GB／T 229規(guī)定要求，將焊縫及熱影響區(qū)的沖擊試樣，放置在J沖擊試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn)。試驗(yàn)后得到的數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4 試樣的力學(xué)性能和冷彎性能

經(jīng)測(cè)試，試樣的各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)均符合NB／T 47014－2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》的規(guī)定。雖然拉伸試樣的斷裂部位在母材與堆焊層的交界處，也是強(qiáng)度較低的區(qū)域，但測(cè)試顯示的抗拉強(qiáng)度數(shù)值，遠(yuǎn)高于20Mn Mo母材在標(biāo)準(zhǔn)中允許的最低值，確保了焊接接頭具有優(yōu)良的力學(xué)性能。宏觀金相試驗(yàn)中，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)試樣存在裂紋、未熔合或未焊透等缺陷，微觀金相試驗(yàn)中，試樣無(wú)異常偏析現(xiàn)象。材料的微觀金相圖，如圖2所示。

圖2 材料的微觀金相圖

3 異種接頭的失效風(fēng)險(xiǎn)

對(duì)于P91異種鋼采用鎳基焊材的焊接接頭，曾有失效的例子。但依據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者多年的研究結(jié)果，已經(jīng)證實(shí)早期焊接接頭失效的原因，是由于材料的蠕變損傷，造成了焊接接頭的脆性失效。P91異種鋼的焊接接頭經(jīng)長(zhǎng)期高溫運(yùn)行后，原本彌散分布在晶界和晶內(nèi)的M23C5碳化物開(kāi)始變得不穩(wěn)定，發(fā)生了晶粒長(zhǎng)大和熟化，即基體相中的Mo、Cr、Fe等元素向碳化物內(nèi)轉(zhuǎn)移，晶粒沿晶界會(huì)聚集長(zhǎng)大，使得材料的金相組織不均勻。在材料長(zhǎng)期蠕變的作用下，形變傳播在晶界處受阻，位錯(cuò)在晶界處堆積，造成該處的應(yīng)力集中，由位錯(cuò)滑移和攀移造成亞晶界，導(dǎo)致P91鋼側(cè)的蠕變強(qiáng)度降低。由于接頭母材性能的不一致，所以在焊縫部位產(chǎn)生了熱應(yīng)力，在長(zhǎng)期應(yīng)力的作用下，就可能在晶界及亞晶界處產(chǎn)生蠕變微裂紋。

從P91異種鋼焊接接頭的失效機(jī)理分析，失效是在一個(gè)前期應(yīng)力作用下發(fā)生的。P91異種鋼焊接接頭長(zhǎng)期在高溫下運(yùn)行，接頭使用溫度往往在600℃以上。由于碳的擴(kuò)散激活溫度為425℃，如果接頭長(zhǎng)期運(yùn)行在500～600℃高溫下，接頭的微觀組織就會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)發(fā)生碳元素遷移及碳化物聚集長(zhǎng)大的情況時(shí)，蠕變裂紋就有可能在脫碳區(qū)和碳化物聚集處產(chǎn)生。在蒸汽冷卻器運(yùn)行時(shí)，P91＋20Mn Mo異種鋼焊接接頭的最高工作溫度不高于400℃，低于碳的擴(kuò)散激活溫度。因此，采用鎳基焊材是可行的，不存在接頭失效的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

由于P91及20Mn Mo材料的差異性大，焊接時(shí)，接頭必須采用過(guò)渡層的工藝方法。經(jīng)試驗(yàn)，P91與20Mn Mo異種鋼的焊接接頭，可采用鎳基625焊材作為過(guò)渡層，對(duì)接焊材也選用鎳基625材料。經(jīng)測(cè)試，該異種鋼接頭的性能良好，當(dāng)工作溫度低于碳的擴(kuò)散激活溫度時(shí)，接頭不存在因蠕變損傷造成的失效風(fēng)險(xiǎn)，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及制造方面的要求。

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Welding Procedure Research for Dissimilar Steel Joints Between P91 and 20Mn Mo

ZHU Ling
（Shanghai Electric Power Generation Equipment Co.，Ltd.Power Station Auxiliary Equipment Plant，Shanghai 200090，China）

P91 is used as the material of shell of steam cooler.It is the first time to do so in China.According to the drawing，P91 shall be welded with 20Mn Mo.While P91 is the structure of martensite，which is different from 20Mn Mo in mechanical efficiency and chemistry component.According to the result of the test，we choose the suitable welding material and appropriate welding procedure for the dissimilar steel weld，which guarantees the welding quality.

ultra－supercritical；cooler；P91 material；low－alloy steel；dissimilar steels；welding；welding material；procedure

TK264.1

B

1672－0210（2015）02－0031－04

2015－04－24

竺凌（1982－），男，工程師，畢業(yè)于上海工程技術(shù)大學(xué)，現(xiàn)從事焊接工藝方面的技術(shù)工作。