竺 凌

（上海電氣電站設備有限公司上海電站輔機廠，上海 200090）

P91與20Mn Mo材料焊接工藝的研究

竺 凌

（上海電氣電站設備有限公司上海電站輔機廠，上海 200090）

某型蒸汽冷卻器筒身采用的材料為P91，該材料使用在國內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低合金鋼材料進行焊接，P91材料屬于回火馬氏體組織，這2種材料無論是在力學性能還是在化學成分上，均有很大的差異。通過試驗，針對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內首個百萬級超超臨界二次再熱機組，也是當今較先進的綠色低碳發(fā)電機組。該機組的建成，標志著我國火力發(fā)電制造技術有了新的突破。

在二次再熱機組中，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，該類材料應用在壓力容器中，在國內尚屬首次。P91鋼是一種改進型的9Cr－1Mo鋼，該材料是在9Cr－1Mo鋼的基礎上，通過添加V、Nb、N等合金元素后形成的馬氏體鋼。P91鋼的熱膨脹系數低，導熱性好，是一種物理性能較好的熱強鋼。但與低合金材料20Mn Mo焊接時，因2種材料的差異大，可焊性較差，所以，對焊接工藝和熱處理均有嚴格的要求。

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，焊后在殘余應力及擴散氫的共同作用下，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元素能提高鋼的強度，并隨著Mn含量的增加，鋼的強度和硬度也會提高。鋼中的Mo元素在固溶于鐵素體和奧氏體時，可顯著提高鋼的再結晶溫度，提高回火穩(wěn)定性，使調質后韌性得到改善。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材料具有強度高、韌性佳、焊接性能好的特點。

2種材料的化學成分，如表1所示。2種材料的力學性能，如表2所示。

表1 P91及20MnMo材料的化學成分 （%）

表2 P91與20MnMo材料的力學性能

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P91焊縫及熱影響區(qū)域經電弧加熱后，材料溫度將超過1 100℃，奧氏體晶粒會迅速長大。如在1 100℃以上停留時間越長，晶粒粗化越嚴重，在隨后冷卻過程中會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，必須嚴格控制焊接線能量，盡可能減少焊材輸入量。但是，焊接線能量也不宜過小，小則冷卻過快，電弧一旦離開，熔池馬上開始迅速降溫，冷卻達到馬氏體轉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，導致脆化。因此，凡與P91材料焊接時，須采取預熱措施，并對層間溫度進行嚴格控制。預熱溫度選在馬氏體轉變點附近（推薦值為200～250℃），防止焊縫冷卻過快形成淬硬組織。焊接的層間溫度應控制在300℃以下，防止焊縫高溫停留時間過長，形成粗大晶粒。

由此可見，對于P91與20Mn Mo材料的焊接，要求具備嚴格的工藝措施，稍有不慎，焊縫就存在質量風險。

此外，由于P91馬氏體鋼加入 Mo、V、W等易形成碳化物的元素，從而在焊接中會導致碳的遷移。馬氏體鋼Cr含量高，Cr與C的親和力又很強，在馬氏體鋼一側，將因碳的遷入而形成增碳層，在低合金鋼一側由于碳的遷出，形成脫碳層。如果焊后除應力的保溫溫度或保溫時間設置不當，會導致碳分子的擴散，將大大增加焊縫失效的潛在風險。

1.3 焊后熱處理

在國家能源局頒布的標準（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材料下轉變點溫度Ac1為730℃，交貨狀態(tài)：淬火＋回火（Q＋T），調質處理的回火溫度在650℃左右。根據NB／T 47015－2011標準規(guī)定：焊后熱處理溫度不但應低于下相變點Ac1，還應低于調質處理的回火溫度。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材料焊接工藝復雜，直接焊接后最關鍵的瓶頸就是焊后熱處理無法進行。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，認為可采用堆焊過渡層的工藝方法。

對2種母材的材質進行了分析，有2種可選用的堆焊層工藝方案。（1）采用鎳基過渡層。（2）采用比P91鉻、鉬（Cr、Mo）含量低的過渡層（如2.25Cr－1Mo）。方案2的制造成本較低，但2.25Cr－1Mo耐熱鋼過渡層與20Mn Mo材料焊接也有焊后熱處理問題。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℃，雖然可適當降低熱處理溫度（最低熱處理溫度≥650℃），并延長保溫時間來規(guī)避，但根據該類鉻鉬鋼材質的特點，如果熱處理溫度過低，可能會影響其焊接接頭的沖擊性能，而且≥650℃的焊后熱處理也達到了20Mn Mo調質處理的回火溫度，違背了標準中的規(guī)定。

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

2 試驗過程

2.1 試驗材料及焊接工藝

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

表3 鎳基焊材的化學成分 （%）

母材坡口側采用電渣焊方法堆焊鎳基過渡層。在堆焊過程中，應采用小線能量焊接，焊后急速冷卻；層間溫度不宜過高，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，應用非鐵基砂輪打磨堆焊層表面，清除焊縫表面的有害雜質。

堆焊后母材按各自材料規(guī)定的熱處理溫度進行焊后熱處理。

熱處理后，母材坡口側開X型對稱坡口，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對接坡口型式

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

2.2 機械性能試驗

試件經外觀檢查及X射線無損檢測合格后，按NB／T 47014－2011《承壓設備焊接工藝評定》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萬能試驗機上進行拉伸試驗；側彎試樣按GB／T 2653規(guī)定要求，放置在三缸彎曲試驗機上進行試驗；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沖擊試驗機上試驗。試驗后得到的數據，如表4所示。

表4 試樣的力學性能和冷彎性能

經測試，試樣的各項試驗數據均符合NB／T 47014－2011《承壓設備焊接工藝評定》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，也是強度較低的區(qū)域，但測試顯示的抗拉強度數值，遠高于20Mn Mo母材在標準中允許的最低值，確保了焊接接頭具有優(yōu)良的力學性能。宏觀金相試驗中，沒有發(fā)現(xiàn)試樣存在裂紋、未熔合或未焊透等缺陷，微觀金相試驗中，試樣無異常偏析現(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 異種接頭的失效風險

對于P91異種鋼采用鎳基焊材的焊接接頭，曾有失效的例子。但依據國內外學者多年的研究結果，已經證實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長期高溫運行后，原本彌散分布在晶界和晶內的M23C5碳化物開始變得不穩(wěn)定，發(fā)生了晶粒長大和熟化，即基體相中的Mo、Cr、Fe等元素向碳化物內轉移，晶粒沿晶界會聚集長大，使得材料的金相組織不均勻。在材料長期蠕變的作用下，形變傳播在晶界處受阻，位錯在晶界處堆積，造成該處的應力集中，由位錯滑移和攀移造成亞晶界，導致P91鋼側的蠕變強度降低。由于接頭母材性能的不一致，所以在焊縫部位產生了熱應力，在長期應力的作用下，就可能在晶界及亞晶界處產生蠕變微裂紋。

從P91異種鋼焊接接頭的失效機理分析，失效是在一個前期應力作用下發(fā)生的。P91異種鋼焊接接頭長期在高溫下運行，接頭使用溫度往往在600℃以上。由于碳的擴散激活溫度為425℃，如果接頭長期運行在500～600℃高溫下，接頭的微觀組織就會發(fā)生變化。當發(fā)生碳元素遷移及碳化物聚集長大的情況時，蠕變裂紋就有可能在脫碳區(qū)和碳化物聚集處產生。在蒸汽冷卻器運行時，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險。

4 結 語

由于P91及20Mn Mo材料的差異性大，焊接時，接頭必須采用過渡層的工藝方法。經試驗，P91與20Mn Mo異種鋼的焊接接頭，可采用鎳基625焊材作為過渡層，對接焊材也選用鎳基625材料。經測試，該異種鋼接頭的性能良好，當工作溫度低于碳的擴散激活溫度時，接頭不存在因蠕變損傷造成的失效風險，符合相關標準及制造方面的要求。

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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)于上海工程技術大學，現(xiàn)從事焊接工藝方面的技術工作。