林臣

【摘 要】通過對(duì)T-P92鋼管道內(nèi)壁堆焊Inconel 625的工藝探討，研究了堆焊接頭的組織和力學(xué)性能。研究結(jié)果表明，通過合理的焊接工藝和熱處理，堆焊焊縫整齊，側(cè)壁熔合良好，無氣孔等缺陷。P92鋼熱影響區(qū)的組織為馬氏體，并分為粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)。堆焊界面中P92鋼粗晶區(qū)的硬度最大，經(jīng)熱處理后硬度降低?；瘜W(xué)成分符合要求，F(xiàn)e<5%，機(jī)械性能良好。

【關(guān)鍵詞】T-P92，熱絲氬弧焊，625合金，顯微組織;力學(xué)性能

【中圖分類號(hào)】TG457 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）05-0110-04

0 前言

目前，國(guó)內(nèi)大型電站亞臨界、超臨界、超超臨界機(jī)組中的主輔機(jī)設(shè)備已基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，其中包括1 000 MW超超臨界機(jī)組的重要主輔設(shè)備，這些超超臨界技術(shù)的應(yīng)用，可以提高發(fā)電機(jī)組的效率、減少有害物質(zhì)的排放，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。隨著發(fā)電機(jī)組容量的增大，機(jī)組內(nèi)的溫度和壓力也增大，這對(duì)材料的高溫性能提出了更高的要求[1]。鐵素體/馬氏體鋼和鎳基超合金都被廣泛用做高溫條件下的結(jié)構(gòu)材料。P92鋼具有良好的蠕變性能、延性和韌性及抗孔洞性能，已被廣泛應(yīng)用于發(fā)電設(shè)備中[2]。Inconel 625合金屬于固溶強(qiáng)化的鎳基超合金，其內(nèi)部含有大量的Cr、Mo、Fe和Nb原子，具有很好的耐腐蝕性能及蠕變性能。P92鋼可承受的蒸汽溫度高達(dá)625 ℃，而Inconel 625合金的使用溫度更高，而在閥門內(nèi)壁通道中堆焊耐腐蝕合金，使其除了擁有P92鋼的耐高溫延性和韌性以外，同時(shí)具有較高的耐高溫腐蝕性[3]。

在發(fā)電機(jī)組中，部分通道工況需要耐高溫腐蝕的需求也越來越多，采用熱絲氬弧焊工藝進(jìn)行T-P9管道內(nèi)壁的Inconel625堆焊，能夠滿足客戶對(duì)堆焊層的低稀釋率要求，同時(shí)具備有其他優(yōu)勢(shì)，如能夠?qū)π】讖降墓艿纼?nèi)壁堆焊，出現(xiàn)氣孔未熔合的焊接缺陷概率比其他焊接工藝少[4]。目前，有關(guān)P92/Inconel 625內(nèi)壁堆焊的研究鮮有報(bào)道。

本文采用熱絲氬弧焊焊接技術(shù)焊進(jìn)行厚度為25.4 mm的T-P92管道內(nèi)壁堆焊Inconel 625焊接，研究了接頭顯微組織與力學(xué)性能的變化，為后續(xù)的研究和工業(yè)應(yīng)用提供了參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

選擇P92鋼作為試驗(yàn)?zāi)覆?，選用Inconel 625（ERNiCrMo-3 φ1.2mm）焊絲作為堆焊填充材料，其化學(xué)成分見表1。SA335-P92鋼的常溫力學(xué)性能見表2。

采用Fronius緊湊型堆焊專機(jī)進(jìn)行堆焊焊接試驗(yàn)如圖1所示。母材尺寸為φ230×L180×T25.4 mm，堆焊焊接工藝參數(shù)見表3。

2 焊接過程控制

2.1 焊前工件準(zhǔn)備

將試樣待焊面不銹鋼鋼絲刷拋光，去除油、漆、垢、銹、毛刺，對(duì)內(nèi)壁進(jìn)行100%著色檢驗(yàn)，確保工件無裂紋，檢驗(yàn)結(jié)束后用丙酮擦拭多余的藥劑。

2.2 焊前預(yù)熱

施焊之前對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為150～200 ℃，道間溫度不小于150 ℃，預(yù)熱達(dá)到150 ℃后，操作人員每隔30 min用紅外線測(cè)溫儀進(jìn)行4點(diǎn)位置的測(cè)量、記錄和控制，超過200 ℃時(shí)，需暫停焊接，等溫度降下來之后才能繼續(xù)焊接，檢驗(yàn)員不定期巡查測(cè)溫記錄和測(cè)溫。合金層焊后立即進(jìn)行焊后消除應(yīng)力處理，650 ℃+2 h。

2.3 焊后熱處理

焊接結(jié)束后，進(jìn)行300～350 ℃的消氫處理，然后冷卻至室溫，熱電偶分布均勻，之后進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，（760±10）℃×1 h隨爐空冷。

3 堆焊后結(jié)果與分析

3.1 焊接接頭宏觀形貌

P92/Inconel 625堆焊橫截面的宏觀形貌如圖2所示?？梢钥闯觯押附宇^總共有2層，每層高度約2 mm，寬度為3～4 mm，從上到下的寬度相近，焊縫形狀齊整。超聲檢測(cè)結(jié)果表明，焊縫內(nèi)部沒有產(chǎn)生側(cè)壁未熔合、氣孔等缺陷。各試樣取樣位置如圖2所示。

3.2 焊接接頭的顯微組織

圖3顯示試樣橫截面完全熔合，無裂紋缺陷。熔合線和堆焊層無晶界碳化物、內(nèi)部金屬夾層等連續(xù)析出跡象[5]。

P92鋼熱影響區(qū)（HAZ）的形貌如圖4所示，依據(jù)晶粒的形貌將其分為粗晶區(qū)（CGHAZ）和細(xì)晶區(qū)（FGHAZ）?？梢钥闯?，P92鋼熱影響區(qū)的寬度約0.5 mm。較小的熱影響區(qū)可以提高接頭的力學(xué)性能[6]。由于熱絲TIG焊的熱輸入量較小，熱影響區(qū)中沒有生成鐵素體，因此熱絲TIG焊對(duì)提高P92+Inconel 625堆焊接頭的力學(xué)性能具有積極作用[7]。

P92鋼熱影響區(qū)中粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)的微觀形貌如圖5所示。粗晶區(qū)中的P92鋼在加熱過程中經(jīng)歷了從回火馬氏體到奧氏體的相變，由于原馬氏體邊界處起強(qiáng)化作用的碳化物溶解于奧氏體，因此高溫條件下的奧氏體粗化長(zhǎng)大[8]。在隨后的冷卻過程中，奧氏體轉(zhuǎn)化為淬火馬氏體，形成粗晶區(qū)。在粗晶區(qū)中沒有發(fā)現(xiàn)削弱接頭韌性的高溫鐵素體[9]。細(xì)晶區(qū)形成在靠近P92鋼一側(cè)，其尺寸小于粗晶區(qū)的。細(xì)晶區(qū)經(jīng)歷的熱循環(huán)峰值溫度小于粗晶區(qū)，碳化物沒有完全溶解，剩余的碳化物具有抑制晶粒長(zhǎng)大的作用，從而形成細(xì)晶區(qū)。經(jīng)過熱處理后，淬火馬氏體經(jīng)歷了向回火馬氏體的轉(zhuǎn)變，原奧氏體晶粒尺寸沒有變化。

3.3 焊接接頭力學(xué)性能

3.3.1 熱處理后焊接接頭的顯微硬度

如表4和圖6所示，Inconel 625合金第二層的顯微硬度為244 HV，P92鋼的顯微硬度為220 HV。鎳基高溫合金的高溫穩(wěn)定性能好。

3.3.2 拉伸強(qiáng)度

經(jīng)過熱處理的焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表5。

側(cè)彎性能試驗(yàn)結(jié)果見表6，分別在堆焊層1.5和3.0位置處取樣，180°無裂紋等缺陷顯示。

3.3.3 沖擊性能

-60 ℃下焊接接頭沖擊試驗(yàn)的結(jié)果見表7。Inconel 625合金的最大沖擊功為220 J，P92鋼縱向距離熔合線3 mm處的最小沖擊功為62 J，熱影響區(qū)橫向最低的沖擊功為64 J。P92鋼的顯微組織主體為板條馬氏體，邊界含有碳化物M23C6，馬氏體之間含有少量的高溫鐵素體，高溫鐵素體的脆性大，裂紋既可以沿著晶間擴(kuò)展，也可以在高溫鐵素體晶粒內(nèi)擴(kuò)展[10-11]。焊接機(jī)頭沖擊斷口的形貌如圖7所示?？梢钥闯?，Inconel 625合金的沖擊斷口呈大而深的韌窩;P92鋼的斷口呈明顯的河流花樣，屬于脆性斷裂。

3.3.4 化學(xué)成分

距離熔合線3 mm處堆焊層的化學(xué)成分分析見表8，各化學(xué)成分均合格，鐵含量<5%。

3.3.5 晶間腐蝕試驗(yàn)

按ASTM 262-14方法E進(jìn)行24 h晶間腐蝕試驗(yàn)，經(jīng)彎曲后放大檢查，試樣未出現(xiàn)因晶間腐蝕而產(chǎn)生的龜裂或裂紋[12]（如圖8所示）。

4 結(jié)論

通過熱絲TIG堆焊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了25.4 mm管子的P92鋼與Inconel 625合金的堆焊，研究了焊接接頭的組織和力學(xué)性能，得到以下結(jié)論。①焊接堆焊層組織性能良好，化學(xué)成分符合要求，F(xiàn)e含量<5%。②P92鋼熱影響區(qū)寬度為0.5 mm左右，P92鋼熱影響區(qū)中沒有高溫鐵素體生成。③堆焊層經(jīng)24 h晶間腐蝕試驗(yàn)，彎曲后經(jīng)放大鏡檢查無龜裂或裂紋。④運(yùn)用熱絲TIG堆焊技術(shù)，能夠滿足P92管子的內(nèi)壁Inconel 625耐腐蝕合金的堆焊要求。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]Xiang Lan，Hong Xu，Yongzhong Ni，et al.Research on hardness variation for P92 notched specimen creep experiment[J].Materials at High Temperatures，2019，36（1）：27-34.

[2]郭龍龍，鄭華林，李悅欽，等.熱絲脈沖TIG堆焊Inconel 625的組織及性能[J].中國(guó)表面工程，2016，29（2）：77-84.

[3]王學(xué)，潘乾剛，劉洪，等.超超臨界機(jī)組用P92鋼焊接細(xì)晶區(qū)高溫蠕變行為研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010（2）：104-108.

[4]Xu F J，Lü Y H，Liu Y X，et al.Microstructural evolution and mechanical properties of Inconel 625 alloy during pulsed plasma arc deposition process[J].Journal of Materials Science and Technology，2013，29（5）：480-488.

[5]耿魯陽，郭曉峰，鞏建嗚，等.國(guó)內(nèi)外P92耐熱鋼微觀組織和高溫性能對(duì)比研究[C].中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)，2012：156-165.

[6]Zhao L，Jing H Y，Xu L Y，et al.Analysis of creepcrack growth behavior of P92 steel welded joint by experiment and numerical simulation[J]. Materials Science and Engineering A，2012，558：119-128.

[7]喬亞霞.P92鋼焊接接頭持久強(qiáng)度及微觀組織分析[C].第十一屆電站焊接學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，2011（11）：215-220.

[8]郭必永.ASTM 4130自動(dòng)氬弧焊堆焊Inconel 625焊接工藝[J].石油化工設(shè)備，2014，43（1）：44-46.

[9]姜運(yùn)建，荊洪陽，徐連勇，等.焊接殘余應(yīng)力對(duì)P92鋼Ⅳ型蠕變開裂的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2011，32（1）：16-20.

[10]盧長(zhǎng)煜，徐祥久，李宜男.國(guó)產(chǎn)SA-335P92鋼的焊接工藝性能[J].機(jī)械制造文摘（焊接分冊(cè)），2011（6）：1-5.

[11]徐連勇，荊洪陽，周春亮，等.焊后熱處理對(duì)P92鋼管道焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2010，31（3）：13-16.

[12]Wang X，Pan Q G，Ren Y Y，et al.Microstructure and type IV cracking behavior of HAZ in P92 steel weldment[J].Materials Science and Engineering A，2012，552：493-501.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]