P91特殊材料的焊接

P91特殊材料的焊接

马祥兵

（Foster Wheeler Power Machinery CO LTD）

摘要 近年来，世界各国都在努力提高耐热钢的应用温度，P91钢主要应用于600-620℃范围内的过热器、换热器和再热器管道，由于其 Cr含量为9%-12%，采用微合金化和控冷控制轧制技术，使其具有较高的化学和结构稳定性，因此，其耐热性能也有所改善。但是，由于其合金化程度较高，其焊接过程中出现了较强的硬化倾向，给焊接带来了很大的困难。冷裂是焊接中的主要问题。为此，本文对P91特殊材料的焊接展开了论述。

关键词  P91钢  焊接  焊接工艺

P91高合金耐热钢在电力、石油、化工等工业领域有着广泛的应用，其应用的先决条件是良好的焊接及热处理技术，然而，P91高合金耐热钢在实际应用中仍存在许多问题，如：人工电弧焊接时，其室温冲击韧度不稳定，甚至低于正常值，严重影响了其服役性能。焊接工艺对焊接冲击韧性的影响。因此如何优化焊接工艺而获得良好综合性能是本文研究的重点。

1 P91钢的简介

在90年代，我们国家已经研发出了T91/P91钢，并将它列入了国家标准，它的牌号是10Cr9MoVNbN，它的化学成分如表1.1所示。在冶炼的过程中，这种钢使用了微合金化的纯净钢，利用控轧来提高它的高温强度，它的 C、 S、 P杂质含量被控制的非常低，而且微合金化元素 V、 Nb、 N的总量也很低，大约只有0.2%左右。然而，这些元素能够通过沉淀强化，与碳形成碳化物、氮化物和碳氮化物，在形成沉淀强化的时候，它们还能对晶粒进行细化，从而使金属得到更好的强化。Cr固溶强化，Mo提高高温稳定性，这类钢材以正火+回火状态供货，其显微组织为回火马氏体，这类钢除了在冶炼过程中通过固溶强化、沉淀强化和微合金化外，在轧制过程中还通过控轧、形变热处理及控冷获得高密度位错及高度细化晶粒的组织。

表 1.1 P91 钢  10Cr9Mo VNb N 钢的化学成分

SA335-P91钢由于含Cr在8%~9%之间，Cr的氧化物稳定，使得该钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性能，并高于同T22等级的钢，因此在制造锅炉和管道部件时可以减小壁厚，从而减轻了锅炉和管道部件的重量和加工量，提高了抗热疲劳的性能。

2 耐热钢常用的焊接方法

焊接方法不同，焊接热输入有很大的差异，对焊缝的质量影响较大，因此P91选择合适的焊接方法至关重要。

2.1焊条电弧焊

电弧焊是以焊条和焊件为电极，并利用阴极和阳极之间产生的电弧热，将焊条及部分母材熔化，随着热源的运动，熔化的金属会冷却并结晶，从而形成焊缝。电极电弧焊的发展历史虽短，但自其出现之日起，就对制造行业产生了巨大的影响。它的主要特点是设备简单，投资少，操作方便，适合于各种环境及各种位置的焊接。它具有以下特点：设备简单，便于操作，适用于室内外各种位置的焊接。当前，几乎所有的金属材料都可以采用焊条电弧焊，在机械制造、船舶、桥梁、锅炉管道及压力容器制造、安装中应用十分广泛。例如钢板对接，管子与管子的对接，接管与筒体、封头连接及各种结构件连接，都可以使用电极电弧焊。

2.2氩弧焊

氩弧焊是一种采用惰性气体氩气作保护气的焊接方式，具有保护作用强、热源集中、焊接热影响区域小等优点，因而被广泛用于耐热钢、不锈钢和有色金属的焊接。因为它是一种惰性的气体，所以它很少与其他金属起作用，所以它具有很好的保护性和很好的焊接质量。常用的氩弧焊有钨极和熔融极两种。

3焊接线能量

焊缝线能受焊接工艺参数的影响，过高的焊缝会造成焊缝晶粒变粗，降低焊缝韧性；在焊接时，应选用较小的线能，即选用较小的电流，较低的电弧电压，并进行快速的焊接。焊接线能量的计算公式为 q= IU/v，其对马氏体耐热钢的性能有较大的影响，从公式可以看出，焊接线能量受焊接电流、电弧电压和焊接速度的综合影响。所以只有在不影响熔池分离的情况下，加快焊接速度，降低焊层厚度，才能降低焊接的线能。所以在操作的时候，要严格遵守工艺的要求，小摆幅的减少焊层的厚度。

4焊接操作方法

采用多层多道焊接和单道焊接两种焊接方式，采用小电流，快速，小摆幅，控制焊层厚度，采用大电流焊接。焊接工艺的不同，对焊缝的性能也有较大的影响。大电流的低速焊接操作。该工艺具有焊丝能量大、热影响区大、焊丝温度高、焊丝组织粗、焊丝塑性和韧性差、焊丝中间杂质富集等特征，极易造成焊丝开裂等缺陷。因此，这种焊接操作方法只适用于具有良好可焊性的材料，而较差可焊性的材料通常不使用。焊接线能量低，多层多道，多层，多道，焊层较薄，具有良好的焊接性能。这种焊接方式具有较低的焊接线能量，较少的热量输入，在焊接过程中，后道焊缝作为前道焊缝的一种热处理方式，将焊缝及热影响区的金属加热至相变温度之上，使其进行再结晶，使其晶粒变得更细，进而提高了其塑性和韧性。对于在回火温度的再加热区，当焊缝金属及过热区存在淬硬组织时，多层多道焊，前道焊缝对后道焊缝发挥着高温回火的作用，从而降低脆硬组织的硬度和强度，使塑性和韧性提高，从而改善了焊接接头金属组织的综合力学性能。这种操作方法焊接线能量小，热输入小，焊缝金属晶粒细小，这对于焊接淬硬趋向大，焊接性能差的材料比较实用。

5 焊接热处理

5.1焊前预热和层间温度的控制

5.1.1焊前预热

焊前预热的目的。焊接热处理对于焊接性差的金属，尤其是淬硬倾向大的金属，通过焊前预热，减小焊接接头焊接区域的温差，降低焊接热影响区的温度梯度，从而有效控制焊接区域金属温度场，减小淬硬倾向和焊接应力。焊前预热还能降低冷却速度，使得焊缝金属的氢容易逸出，降低焊接应力，改善焊接接头，从而减小氢的含量，降低氢致裂纹的倾向。尤其对于马氏体耐热钢，通过焊前预热能够有效降低淬硬倾向，从而减小焊接裂纹的产生。

预热的方式。预热的方式主要由整体预热和局部预热。对于结构刚性大的情况采用整体预热；预热加热的方式主要是火焰加热和电加热，火焰加热主要采用氧-乙炔火焰加热。电加热主要采用电阻炉加热、感应加热、柔性陶瓷电加热等方式对进行加热。

预热温度。预热温度主要取决于钢材的碳当量、焊件厚度、焊接材料的含氢量，P91材料焊接预热温度，根据ASME焊接工艺OWPIS指导，预热温度400℉，焊接温度400℉-600℉。预热温度过高会导致焊缝金属及母材金属在高温停留时间过长，导致金属力学性能恶化，同时也使操作困难，过高的预热温度使得焊缝金属组织恶化。

加热宽度。对于不同的厚度，不同的材料加热宽度页不同，局部预热的宽度从中心对口算起每侧不少于3倍，且不小于300mm。加热宽度较小或者加热过程中不均匀，对于淬硬组织和焊缝金属拘束度的影响作用不是很理想。

表5.1  电厂锅炉管道钢的预热温度

5.1.1层间温度

为防止产生过大的应力，在进行焊接时，需要将层间的温度维持在一个较低的水平，而层间的温度又不能太高，太高的话会使焊缝的机械性能下降，通常情况下，层间的温度要比预热温度高约20℃。在此基础上，进一步研究了两种材料的界面结合方式对界面结合强度的影响，并探讨了影响界面结合强度的主要因素。在焊接的过程中，如果层间的温度过高，很可能会造成金属的过热，所以在焊接的时候，如果温度过高，就等层间的温度降到预热温度之下，再进行焊接，并且要对层间的温度进行严格的控制，特别是对于合金元素含量高、厚度大的焊件，层间的温度控制就显得尤为重要。在操作的时候，焊工和热处理人员要相互配合，要严格遵循工艺规程，在每层焊接的时候，要对层间的温度进行严格的测量。

5.2后热

后热主要针对淬硬倾向大的厚壁工件，在厚壁工件的焊接过程中，随着焊件厚度的增加，扩散氢的含量也增加，氢的扩散聚集，在距表面10mm左右处成为氢的集聚区，该区域还易产生焊接冷裂纹，所以后热一般为消氢处理[9]。1.后热的目的氢主要来源于焊接材料和金属材料等，焊接过程中，氢在焊缝和热影响区扩散聚集，易造成焊缝冷裂纹和再热裂纹，因此焊后保温缓冷，促使焊缝中的氢向外扩散并逸出焊缝。从而减小焊接应力，避免冷裂纹和再热裂纹的产生。2.后热加热温度后热加热的温度一般为250~300℃，根据工件的厚度，恒温保持0.5~6h。

5.3焊后热处理

焊接热处理是等焊接结束后，将焊件加热到一定温度，保温一定时间，以一定的冷却速度冷却，从而获得所需要的金相组织和力学性能。

5.3.1焊后热处理的目的

获得所需要的焊缝组织，改善焊接性能。在焊接以后，因为热过程的影响，焊缝金属有可能会使焊接接头变硬或者变脆，所以可以采用焊后热处理来软化组织。特别是对铬钼钢，较高的焊接温度和较长的焊接时间，对焊接接头的软化作用更为显著。在焊接后，焊缝的塑性会有所降低，而焊后的热处理则可以降低焊点的应力，使焊点的塑性会得到改善。在此基础上，采用热处理工艺，可以有效地将氢气和其它有害气体在焊缝区及邻近区域内的扩散和逸出。因此，可以有效地预防氢致开裂。在改善焊接接头的蠕变性能、耐腐蚀性能及抗疲劳性能方面，焊后热处理具有显著的作用。

消除焊接残余应力防止焊接变形。因为焊接的过程是一个不均匀的加热过程，所以在焊接的过程中会出现焊接残余应力，所以可以采用焊后热处理的方法，来降低焊缝金属的屈服点，使金属进行更多的塑性变形，来消除残余应力，并且还可以防止出现二次应力，避免在焊接后出现焊接变形，稳定焊件的尺寸。

5.3.2加热方法

目前火电厂现场常用的热处理加热方法主要采用感应加热和辐射加热。

辐射加热法，主要用火焰或者电阻炉加热和远红外线加热。

1)火焰加热主要针对大、中型构件，采用火把作为加热器，向被加热的焊件加热，由于该方法热量损失严重，温度只能靠经验确定，因此对于人员的技术经验要求较高。

2)远红外线加热。该方法是通过远红外线发热元件把能量转换成具有一定波长的红外线辐射到焊件上，焊件吸收红外线并转变为热能，并且不断向工件内部渗透、传导热量。这种加热方法电能损耗少，热效率高，设备使用寿命长、容易实现自动控温，热源靠辐射从金属表面向内部传递。

3)感应加热法。利用感应线圈，在交变磁场中产生感应电动势，依靠涡流作用产生热量，热量主要集中于金属表面，对于厚度较大的构件焊后热处理加热不利。新型电磁感应加热法。利用铜制线圈缠绕在管子外侧，在线圈中通入交变电流，交变电流产生交变磁场，管子内部在交变磁场作用下产生感应电动势，感应电动势在金属内部产生涡流和磁滞，钢材依靠涡流和磁滞作用发热。5.3.3加热温度的测定

测温方式可以选择接触法或者非接触法测量焊件温度。接触法主要采用热电偶、测温笔、接触式表面温度计等，非接触式测温主要采用红外测温仪。

5.3.4具体操作方法

焊后热处理主要有高温回火、消除应力退火、正火加回火。根据焊件要求选择具体的焊后热处理。对于耐热钢焊后最常用的是高温回火，将钢加热到临界点以下某一温度，保温一定时间，然后在空气中冷却，这种热处理为回火。随着回火温度的提高，金属的硬度强度下降，塑性韧性上升。回火保温时间根据构件的厚度、尺寸、形状确定。冷却方式通常为空冷，如果在回火的过程中消除焊接应力，回火冷却可以采取保温层内缓冷的措施。耐热钢回火的温度一般为500~760℃，回火后的组织是回火索氏体。

参考文献

[1]晏嘉陵,齐彦昌,刘明星等.焊接热输入对P91钢焊接修复微观组织及性能的影响[J/OL].材料科学与工艺:1-10[2023-07-19].

[2]刘玉祥,张小丽,杨云杰等.SA-335 P91马氏体耐热钢焊接工艺研究[J].大型铸锻件,2023(02):26-31.

[3]徐世雄,许严,李智刚等.SA335 P91钢大径厚壁管焊接裂纹分析及对策[J].机电技术,2022(06):46-50+69.

[4]张学武,韩知音,占军等.SA335 P91与SA106 Gr.B异种钢焊接接头的性能分析[J].焊接技术,2022,51(12):24-27.

[5]周海,王文达,张岩.P91钢管道现场施工焊接工艺及监督检验建议[J].焊接技术,2022,51(12):52-55.

[6]田成川,赵海,田妮等.长期服役P91钢蒸汽管道焊接接头显微组织及力学性能研究[J].材料研究与应用,2022,16(06):920-927.

[7]吕琛,郑德卓,刘三云等.快堆P91钢主蒸汽管道焊接及热处理工艺研究[J].中国核电,2022,15(04):587-594+609.

[8]刘鸿彦,李卫华,孙修圣等.铁素体耐热钢的焊接工艺及热处理[J].石油和化工设备,2022,25(07):129-133.

[9]李华兵.乙烯装置P91管道焊接分析及问题对策[J].设备管理与维修,2022(12):100-101.

[10]蔡宝杰. 基于固态相变效应下P91钢锅炉管道残余应力数值模拟研究[D].福建工程学院,2022.

[11]徐伟,冯英超,刘金平等.坡口角度对P91管道TIG自动焊对接接头组织及力学性能的影响[J].金属加工(热加工),2022(05):68-71.

[12]罗运良,李井双.P91耐热钢厚壁管埋弧焊工艺[J].焊管,2022,45(04):50-54.

[13]袁黎明. 中大口径P91工艺管道施工焊接质量控制[C]//陕西省机械工程学会.陕西省机械工程学会2015年论文汇编.陕西省机械工程学会2015年论文汇编,2022:49-52.