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(高效清潔燃煤電站鍋爐國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

0 前言

SA-335P91鋼屬于高強(qiáng)度馬氏體耐熱鋼，具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、沖擊韌性、抗氧化性能及抗高溫蒸汽腐蝕性能。目前，SA-335P91主要用于亞臨界、超臨界火電機(jī)組鍋爐的過熱器、再熱器高溫段[1-2]。12Cr1MoVG鋼屬于珠光體耐熱鋼，具有較高的持久強(qiáng)度、抗氧化性和熱強(qiáng)性，是國(guó)內(nèi)火電機(jī)組鍋爐受熱面的主力鋼種[3]。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有鍋爐產(chǎn)品中，普遍存在大量SA-335P91和12Cr1MoVG的異種鋼焊接接頭。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于SA-335P91和12Cr1MoVG異種鋼的焊接材料主要是使用與SA-335P91相近成分的E60-B9等級(jí)的焊接材料[4-5]；E60-B9等級(jí)的焊接材料屬于馬氏體組織的耐熱鋼，焊接工藝性能差，材料成本高?？紤]SA-335P91和12Cr1MoVG兩種材料的成分和性能差別較大，選用成分和性能介于兩者之間的E60-B3等級(jí)的焊接材料，在保證接頭性能的前提下，同時(shí)提高焊接材料的焊接工藝性能。針對(duì)SA-335P91和12Cr1MoVG異種鋼的焊接接頭選用E60-B3等級(jí)焊接材料進(jìn)行焊接試驗(yàn)，研究焊接接頭的微觀組織和力學(xué)性能，驗(yàn)證E60-B3等級(jí)焊接材料的適用性。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

焊接試驗(yàn)中使用試驗(yàn)材料為SA-335P91和12Cr1MoVG鋼管，鋼管規(guī)格φ324 mm×25 mm，SA-335P91和12Cr1MoVG鋼管的化學(xué)成分見表1。試驗(yàn)中使用E60-B3等級(jí)焊接材料，相應(yīng)的氬弧焊焊絲為ER62-B3φ2.5 mm，焊條為 E6215-2C1Mφ3.2 mm，φ4.0 mm，φ5.0 mm具體的化學(xué)成分見表1。焊接材料中主要合金元素Cr含量為2.0%～2.7%，介于SA-335P91和12Cr1MoVG兩種鋼管的Cr含量之間。表2為SA-335P91和12Cr1MoVG鋼管的常溫及高溫力學(xué)性能。

1.2 焊接工藝

SA-335P91和12Cr1MoVG的焊接接頭采用60° V形坡口，采用手工氬弧焊封底焊接，焊條電弧焊進(jìn)行填充和蓋面焊接，焊接工藝參數(shù)見表3。焊后進(jìn)行消應(yīng)力熱處理。

1.3 試驗(yàn)方法

研究SA-335P91和12Cr1MoVG異種鋼焊接接頭的常溫性能、高溫性能及微觀組織。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》的要求[6]，制備焊接接頭的拉伸、彎曲和沖擊韌性等試樣進(jìn)行常溫力學(xué)性能測(cè)試；并使用Axiovert 200 MAT蔡司金相顯微鏡對(duì)焊接接頭微觀組織進(jìn)行觀察和分析；按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4338—2006《金屬材料 高溫拉伸試驗(yàn)方法》的要求[7]，制備焊接接頭的高溫拉伸試樣，分別進(jìn)行520 ℃，540 ℃，560 ℃，580 ℃，600 ℃不同試驗(yàn)溫度下的高溫力學(xué)性能測(cè)試。

表1 母材和焊接材料的化學(xué)成分

表2 SA-335P91和12Cr1MoVG鋼管的力學(xué)性能

表3 焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭微觀組織

通過金相顯微鏡對(duì)SA-335P91和12Cr1MoVG焊接接頭中兩側(cè)母材、熱影響區(qū)(HAZ)和焊縫的微觀組織進(jìn)行觀察分析。圖1為SA-335P91和12Cr1MoVG兩種母材的組織，其中SA-335P91組織為回火馬氏體，12Cr1MoVG組織為鐵素體+貝氏體+珠光體。

圖1 母材組織

SA-335P91與12Cr1MoVG兩種母材的金相組織存在較大的差異性，因此，整個(gè)焊接接頭中與兩側(cè)母材相鄰的熱影響區(qū)的微觀組織也不同。圖2為12Cr1MoVG母材側(cè)熱影響區(qū)及相鄰的焊縫區(qū)的微觀組織，熱影響區(qū)為鐵素體+貝氏體+珠光體組織。熱影響區(qū)組織的晶粒尺寸呈現(xiàn)由細(xì)到粗的變化，圖2a中12Cr1MoVG側(cè)的熱影響區(qū)遠(yuǎn)離熔池中心的高溫區(qū)，而靠近12Cr1MoVG母材一側(cè)的低溫區(qū)，焊后冷卻速度較快形成尺寸相對(duì)細(xì)小的微觀組織；圖2b中熱影響區(qū)與焊縫的界線清晰，焊縫區(qū)為貝氏體+鐵素體組織，而與焊縫相鄰的熱影響區(qū)，由于焊縫熔池溫度高、冷卻速度慢，晶粒尺寸相對(duì)粗大。

圖2 12Cr1MoVG側(cè)焊縫和熱影響區(qū)組織

圖3為SA-335P91側(cè)焊縫和熱影響區(qū)組織，由于焊縫填充金屬與馬氏體鋼SA-335P91組織的不同，因此SA-335P91側(cè)焊縫、熱影響區(qū)和母材的組織界限明顯，焊縫組織為貝氏體+鐵素體，而在緊鄰SA-335P91母材側(cè)的焊縫區(qū)域中出現(xiàn)帶狀分布的鐵素體區(qū)域，鐵素體區(qū)域?qū)挾?00～260 μm。分析產(chǎn)生鐵素體帶狀區(qū)域的原因主要是SA-335P91母材中含有大量的Cr，Mo，V等強(qiáng)碳化物形成的元素，易與焊縫金屬的C元素形成碳化物，而且C原子尺寸小，擴(kuò)散速度快，因而在SA-335P91側(cè)形成碳化物富集的馬氏體組織，形成SA-335P91側(cè)熱影響區(qū)；而在焊縫一側(cè)由于C元素遷移形成鐵素體帶狀區(qū)域，硬度較低和蠕變性能較差的鐵素體組織直接導(dǎo)致焊接接頭的蠕變性能降低[8-11]。

圖3 SA-335P91側(cè)焊縫和熱影響區(qū)組織

2.2 焊接接頭力學(xué)性能

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》的取樣要求，制備焊接接頭的拉伸、彎曲和沖擊韌性等試樣進(jìn)行常溫力學(xué)性能測(cè)試。表4為焊接接頭的常溫拉伸和彎曲的試驗(yàn)結(jié)果，其中焊接接頭的抗拉強(qiáng)度均高于表2中12Cr1MoVG母材抗拉強(qiáng)度的下限值，而且斷裂位置均在12Cr1MoVG母材上；焊接接頭的橫向側(cè)彎試樣也未發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象。SA-335P91和12Cr1MoVG異種鋼中匹配焊接接頭的常溫拉伸和彎曲性能均能滿足要求。

表4 焊接接頭拉伸和彎曲試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)焊接接頭的焊縫及兩側(cè)的熱影響區(qū)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm，每個(gè)位置取3個(gè)沖擊試樣，沖擊試驗(yàn)溫度為20 ℃，沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表5，焊縫和熱影響區(qū)的沖擊吸收能量均滿足要求。

表5 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

由于SA-335P91和12Cr1MoVG異種鋼焊接接頭多用于過熱器、再熱器等部件受熱面中，運(yùn)行溫度在500～580 ℃范圍內(nèi)，因此，對(duì)焊接接頭進(jìn)行高溫性能試驗(yàn)。按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4338—2006《金屬材料 高溫拉伸試驗(yàn)方法》的要求加工高溫拉伸試樣，拉伸試樣的中心設(shè)置在12Cr1MoVG側(cè)的熱影響區(qū)，試樣尺寸如圖4所示。試驗(yàn)溫度分別為520 ℃，540 ℃，560 ℃，580 ℃，600 ℃。

圖4 焊接接頭高溫拉伸試樣

表6為不同溫度下的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。圖5為高溫拉伸試驗(yàn)后的斷裂位置，可以看出斷裂均發(fā)生在12Cr1MoVG母材上。與表2中兩種母材的高溫屈服強(qiáng)度比較，可以看出焊接接頭的高溫屈服強(qiáng)度普遍高于兩種母材，均能滿足要求。

表6 高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖5 高溫拉伸試樣斷裂位置

3 結(jié)論

(1)SA-335P91+12Cr1MoVG異種鋼焊接接頭，焊縫區(qū)為貝氏體+鐵素體組織，緊鄰SA-335P91側(cè)的焊縫區(qū)出現(xiàn)帶狀的鐵素體，寬度為200～260 μm，易導(dǎo)致焊接接頭的蠕變性能降低，影響焊接接頭的高溫服役壽命。

(2)SA-335P91+12Cr1MoVG異種鋼焊接接頭，常溫狀態(tài)下焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、彎曲性能和沖擊韌性均能滿足要求。

(3)SA-335P91+12Cr1MoVG異種鋼焊接接頭，在520～600 ℃高溫狀態(tài)下，焊接接頭的高溫屈服強(qiáng)度高于SA-335P91和12Cr1MoVG兩種母材的屈服強(qiáng)度值，均能滿足要求。