徐偉，馮英超，劉金平，吳闖

1.中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司霞浦示范快堆項(xiàng)目部 北京 102401

2.核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司 北京 101320

1 序言

P91鋼是采用細(xì)晶化、微合金化冶金，以及控軋、控冷等工藝開發(fā)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(qū)形狀的一個重要焊接工藝因素，甚至還影響焊接電弧的穩(wěn)定性[2]。本文通過金相組織分析及力學(xué)性能試驗(yàn)，研究了不同坡口角度條件下接頭的金相組織及力學(xué)性能，并對不同坡口形式下焊接效率進(jìn)行分析，為后續(xù)P91管道自動焊的效率提升提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

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

試驗(yàn)用焊接材料為GB/T 8110—2016《小型水電站機(jī)電設(shè)備導(dǎo)則》規(guī)定的φ1.0mm的ER62-B9焊絲，其主要熔敷金屬力學(xué)性能見表3。

表3 ER62-B9熔敷金屬力學(xué)性能

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)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(jī)械加工而成，焊前用砂輪機(jī)對坡口進(jìn)行修磨，保證無油污及其他雜質(zhì)。采用焊條電弧焊或TIG焊焊接打底焊道，焊接3mm以上后進(jìn)行自動焊填充、蓋面，并全程采用相同的焊接參數(shù)。

圖1 三組試件坡口示意

試驗(yàn)采用自主研發(fā)的管道TIG自動焊設(shè)備，焊接位置為立焊，保護(hù)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(shù)見表4。

表4 自動焊填充、蓋面焊接參數(shù)

焊接完成后立即進(jìn)行熱處理，首先將試件溫度降低至90℃保溫2h進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)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(shè)備、焊接過程及焊接成形如圖2所示。

圖2 焊接設(shè)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(yè)。具體焊道排布見表5。

表5 焊道排布

3 試驗(yàn)結(jié)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(qū)域取樣，分別進(jìn)行金相、沖擊、硬度及拉伸試驗(yàn)，得到不同坡口角度下焊后接頭及熱影響區(qū)顯微組織和力學(xué)性能，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(nèi)組織均勻連續(xù)，未發(fā)現(xiàn)過熱粗大組織。但坡口角度7°的焊縫組織馬氏體形態(tài)最為細(xì)小，其余兩個試件組織形態(tài)及大小接近。視場內(nèi)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(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著坡口角度的增大，焊縫區(qū)及熱影響區(qū)沖擊吸收能量隨之增加。

圖4 常溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3.3 坡口角度對硬度的影響

3組試樣的硬度試驗(yàn)結(jié)果見表6，包括焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、焊腳區(qū)、母材區(qū)。由表6可見，坡口角度的變化對焊縫區(qū)、熱影響區(qū)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(zhì)焊縫區(qū)、熱影響區(qū)硬度的主要因素為熱處理過程；焊腳區(qū)、母材區(qū)硬度值存在一定的差異，應(yīng)是母材本身硬度原因?qū)е隆?/p>

表6 3組試樣的硬度試驗(yàn)結(jié)果

3.4 坡口角度對抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度的影響

3組試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，在常溫拉伸試驗(yàn)中抗拉強(qiáng)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(guī)定值；在525℃高溫拉伸試驗(yàn)中，抗拉強(qiáng)度基本不隨坡口角度的變化而變化，但其屈服強(qiáng)度值變化較為明顯，其中20°坡口屈服強(qiáng)度最大，隨坡口角度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。

圖5 拉伸試驗(yàn)結(jié)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(yù)熱時間約為4h，每道焊縫焊前準(zhǔn)備時間約5min。當(dāng)層間溫度超過250℃后需冷卻至200℃，然后再繼續(xù)開展焊接作業(yè)。其有效焊接時間及實(shí)際完成時間對比見表7。

表7 有效焊接時間及實(shí)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(jié)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(qiáng)度有所提高，硬度和高溫抗拉強(qiáng)度無明顯變化。

3）對于不同坡口角度的力學(xué)性能進(jìn)行綜合分析，其沖擊吸收能量、硬度、抗拉強(qiáng)度均遠(yuǎn)高于母材規(guī)定值，滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)要求。

4）在一定范圍內(nèi)減小坡口角度，可有效提高TIG自動焊焊接效率。