西北電力建設(shè)第三工程公司 （陜西咸陽 712021） 靳珂晨

1. 兩種鋼材的分析

（1）T91鋼 T91鋼屬于馬氏體耐熱鋼，是美國在9Cr-1Mo鋼的基礎(chǔ)上添加微量的V、Nb，調(diào)整Si、Al的添加量后形成的超9Cr鋼。該鋼的高溫強(qiáng)度優(yōu)異，在550℃以上，其設(shè)計許用應(yīng)力為T9鋼和2.25Cr-1Mo鋼的兩倍，與1Cr19Ni9鋼相比，其等強(qiáng)溫度為625℃，抗氧化和抗蒸汽腐蝕性能與9Cr-1Mo鋼相當(dāng)。常用于亞臨界、超臨界鍋爐壁溫達(dá)650℃的過熱器管道和再熱器管道。其化學(xué)成分及常溫力學(xué)性能如表1、表2所示。

表1 T91鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 T91鋼力學(xué)性能

（2）T22鋼 T22鋼屬于貝氏體耐熱鋼，其化學(xué)成分、力學(xué)性能及碳當(dāng)量與10CrMo910鋼相似，屬于2.25Cr—1Mo鋼。該鋼正火后的組織為貝氏體＋少量的馬氏體，有時有少量的鐵素體，長期在高溫下運(yùn)行時會出現(xiàn)碳化物從鐵素體基體中析出并聚集長大的現(xiàn)象。該鋼工藝性能良好，對熱處理溫度不太敏感，焊接性良好，具有良好的持久塑性，但其強(qiáng)度較低。常用作壁溫≤580℃的過熱器管道、再熱器管道及壁溫≤570℃的蒸汽管道。其化學(xué)成分及常溫力學(xué)性能如表3所示。

表3 T22鋼的化學(xué)成分及常溫力學(xué)性能

2. T91與T22異種鋼焊接問題的分析

T91鋼與T22鋼分別屬于馬氏體型熱強(qiáng)鋼和貝氏體型熱強(qiáng)鋼，T91鋼的屈服極限是P22鋼的兩倍，T91鋼的抗拉強(qiáng)度比P22鋼高40%左右，兩者屬于同類異組織的異種鋼焊接，一般認(rèn)為比較容易焊接，但是由于組織形態(tài)、力學(xué)性能差別較大，因此給兩種異種鋼焊接焊材的選用和焊后熱處理規(guī)范帶來一定的麻煩。兩種鋼材的含Cr量相差較大，在焊接及焊后熱處理過程中，會產(chǎn)生碳的遷移，在熔合線兩側(cè)形成脫碳帶和增碳區(qū)，脫碳帶出現(xiàn)在低鉻側(cè)（T22側(cè)），該側(cè)硬度低；反之，增碳區(qū)出現(xiàn)在高鉻側(cè)（T91側(cè)），該側(cè)硬度高。碳的遷移會導(dǎo)致T22鋼的一側(cè)產(chǎn)生脫碳帶，會使焊接接頭室溫力學(xué)性能下降，高溫蠕變斷裂強(qiáng)度降低，易發(fā)生異種晶格界面上蠕變斷裂強(qiáng)度的脆化，使異種鋼焊接接頭因在高溫下早期失效而產(chǎn)生事故。脫碳帶和增碳區(qū)的寬度與焊后熱處理的保溫時間有關(guān)。T91鋼與T22鋼焊接時，容易使熱影響區(qū)產(chǎn)生焊接冷裂紋，即產(chǎn)生低匹配焊接氫致裂紋和低硫氫致裂紋。

綜上所述，T91鋼與T22鋼焊接時存在的主要問題是焊接接頭碳的遷移和熱影響區(qū)產(chǎn)生冷裂紋。

T91鋼與T22鋼焊接時，在焊接材料上有4種選擇方式：①焊縫金屬成分與低合金鋼一側(cè)的材料成分一致（低匹配）。②焊縫金屬成分與高合金材料一側(cè)的材料成分一致（高匹配）。③焊縫金屬成分取兩種材料的中間成分。④焊縫金屬采用鎳基合金焊材。

針對以上4種選擇，下面進(jìn)行逐一分析：

第一，當(dāng)采取焊接材料與焊縫金屬成分與低合金鋼一側(cè)的材料成分一致時，即采用2.25Cr-1Mo型焊材時，會可盡可能地阻止碳的遷移，降低因脫碳帶來的不良影響，降低異種鋼焊接接頭晶體界面蠕變斷裂強(qiáng)度脆化的可能，但是不同程度上難以避免焊接冷裂紋的產(chǎn)生，因此焊接時應(yīng)提高焊前預(yù)熱溫度，以降低溫度梯度。

第二，當(dāng)采取焊接材料與焊縫金屬成分與高合金鋼一側(cè)的材料成分一致時，即采用9CrMo焊材時，可有效地防止異種鋼焊接冷裂紋，但會導(dǎo)致T22鋼低強(qiáng)度側(cè)產(chǎn)生碳的偏移，使異種鋼焊接接頭晶體界面產(chǎn)生蠕變斷裂強(qiáng)度的脆化，使焊接接頭失效。

第三，當(dāng)采取焊縫金屬成分取兩種材料的中間成分時，有關(guān)人員經(jīng)試驗得出結(jié)論：用5Cr-0.5Mo型焊接材料焊接時，由于其合金含量大，液態(tài)金屬粘度大，加之焊接熱輸入小，液態(tài)金屬溫度低，高溫停留時間短，使焊縫金屬成分不均勻，所以導(dǎo)致熔合區(qū)組織不均勻，沖擊韌度下降。

第四，當(dāng)焊縫金屬采用鎳基合金焊材焊接時，AWSD10.8規(guī)范中認(rèn)為沒有必要使用鎳基合金焊材，除非T91鋼與不銹鋼或鎳基合金焊接。同時，鎳基合金的使用還會在一定程度上影響NDT檢測的范圍。兩種鋼接頭性能試驗結(jié)果如表4所示。

表4 T91鋼與T22鋼異種材料焊接接頭性能試驗結(jié)果

表4中總結(jié)了一些最新報道的試驗結(jié)果。這些結(jié)果表明，低匹配焊接材料能夠為T91鋼與T22鋼異種鋼焊接接頭提供滿意的性能，即選用低匹配的焊接材料能滿足接頭的性能。

表4說明，當(dāng)采取2CrMoTIG＋焊條電弧焊或2CrMoTIG＋焊條電弧焊＋埋弧焊，焊后熱處理恒溫溫度為720℃，保溫時間為1h，層間溫度控制在200~250℃時，T91鋼與T22鋼異種鋼焊接接頭的綜合性能最好。

3. 結(jié)語

T91與T22異種鋼焊接選用2.25Cr-1Mo焊條或焊絲，采用鎢極氬弧焊打底，管子內(nèi)部充氬保護(hù)，采用薄層的多層多道焊，小的焊接熱輸入，層間溫度應(yīng)控制在200~300℃之間，焊前預(yù)熱溫度250℃，焊后緩冷至室溫后進(jìn)行（720±5）℃的回火處理的工藝時，該焊接接頭符合要求。