焊接線能量

350MW 機組主蒸汽管道、高温段過熱器管道、屏式過熱器管道、汽輪機主汽管道採用T91/P91 材料製造。350MW 鍋爐為超臨界火室燃料鍋爐，它的過熱器、主蒸汽出口設計壓力為25.4MPa，過熱器、再熱器的蒸汽温度為566℃。由於長期在高温高壓下運行，在機組檢修過程中，發現高温過熱器部分管道因煙氣沖刷嚴重，管壁減薄，用硬度計測量硬度，硬度超過HB250，焊縫出現脆性組織，需對減薄段進行更換，而P91鋼材質成分複雜，壁厚大，淬硬傾向大，可焊性差，焊接過程中要嚴格控制焊接工藝參數。但由於高温過熱環境惡劣，焊口數量多，在生產中難以保證參數的穩定性，通過實驗方法，研究不同的焊接工藝下焊縫組織及力學性能。P91鋼焊接的主要問題是冷裂敏感性較大，及一定的熱裂傾向。同時也不可忽視接頭性能的弱化（焊縫區韌性的惡化和熱影響區的軟化），因此合理的焊接工藝是控制和改善該鋼焊接性的重要技術手段 ^[1]  。

焊接試件及焊接材料，試驗用焊接試件規格為φ290×30 的進口P91 鋼管，開V 形坡口。焊前清理。採用角向磨光機對坡口兩側20~30mm 範圍進行打磨清理。充氬保護。為防止P91 鋼焊縫根部氧化，在焊接之前，從管內側充氬氣，保護背面技術，防止其過度氧化，保護氣流量5L/min。

預熱及層間温度。焊前採用DWK-D-60 型智能温控儀繩式加熱器對其預熱，預熱温度150~200℃，加熱速度小於150℃ /h，層間温度200~300℃。焊接材料選擇。為了提高抗裂性選用德國蒂森Thermanit MTS3φ2.4 焊絲，Thermanit ChromoT91φ2.5 焊條。

焊接線能量的選擇。採用單面焊雙面成型，打底焊用鎢極氬弧焊打底，焊條電弧焊填充蓋面，鎢極氬弧焊打底焊接線能量為15KJ/cm，10 KJ/cm，7 KJ/cm，焊條電弧焊採用22 KJ/cm，17.5KJ/cm，12KJ/cm 三種焊接線能量焊接。

焊後熱處理。為保證焊縫馬氏體組織的完全轉變，待試件緩冷降温至100℃，應立即進行焊後熱處理，採用柔性陶瓷電阻遠紅外加熱帶智能温控儀控温，升降温速度小於150℃ /h，760±10℃恆温2 小時 ^[2]  。

（1）拉伸試樣製取。採用焊接接頭拉伸試樣，從管子試件中取出的拉伸試樣，取全厚度試樣。

（2）衝擊試樣。衝擊試樣截取位置在管件的中心線位置取出缺口衝擊實驗試樣，試樣數量為焊縫和熱影響區各3個。試樣的長度方向應垂直於焊縫軸線，缺口軸線應垂直於母材的表面，平行於焊縫的側面。焊縫衝擊試樣的缺口應位於焊縫側面的中心線上，而熱影響區試樣的缺口應開在熔合線以外的熱影響區內且緊靠熔合線。

（3）金相硬度試樣。試樣在鋸牀上鋸割成適當大小的試塊，然後在砂輪上進行初步打磨，之後在150#、200#、400#、600#、800#、1200# 的砂紙上進行磨製，之後在1-、0.3- 和0.05-um 的尼龍布上進行拋光，用FeCl3 進行侵蝕，然後在顯微鏡下觀察，直到沒有劃痕為止。

（1）對P91 焊縫及熱影響區硬度值測量

不同的焊接線能量下硬度，由圖可以看出採用（GTAW）打底焊接線能量在15KJ/cm 以上+（SMAW）填充蓋面焊接線能量在22KJ/cm 以上時，焊縫及熱影響的硬度偏高，遠遠超過（GTAW）打底焊接線能量為12KJ/cm以下+（SMAW）填充蓋面17.5KJ/cm 以下時的硬度。焊接線能量較小時焊縫金屬的硬度越接近母材的硬度。

隨着焊接線能量的增大，抗拉強度增大，由於焊接線能量較大，由於焊接熱循環的影響，供貨狀態性能優良的母材性能可能有所下降，因此當焊接線能量較大時，斷裂部位發生在母材處。

（3）衝擊韌性實驗結果分析

由實驗結果可以看出，焊接線能量增大，熱影響區的衝擊韌性明顯下降，這是由於焊接熱循環的影響，使得母材的性能尤其是衝擊韌性下降明顯，而焊縫金屬的衝擊值卻很高，主要是焊縫金屬中Nb、V 在冷卻凝固過程中很難與C、N 形成化合物析出。

（4）不同焊接線能量焊縫區的顯微組織

採用鎢極氬弧焊打底，焊條電弧焊填充蓋面後的焊縫組織為奧氏體+ 少量鐵素體，奧氏體的亞結構為具有一定夾角的隱晶板條馬氏體，氬弧打底q=15 KJ/cm+ 焊條電弧焊q=22 KJ/cm 時，有碳化物析出，並在晶界處偏聚；氬弧打底q=10 KJ/cm+ 焊條電弧焊q=17.5 KJ/cm 時，焊縫組織為典型的回火索氏體組織，組織均勻，晶粒細小；當氬弧打底q=7 KJ/cm+ 焊條電弧焊q=12 KJ/cm 時，焊縫組織為回火索氏體組織，焊縫組織均勻 ^[3]  。

焊接線能量對P91 鋼焊接接頭力學性能影響很大，焊接線能量過大，由於焊接熱循環的影響使得焊接接頭的抗拉強度、硬度尤其是衝擊韌性影響很大，因此在焊接過程中我們通過實驗發現P91 耐熱鋼規格為φ219×30 焊接採用鎢極氬弧焊（GTAW）打底+ 焊條電弧焊（SMAW）填充蓋面，氬弧焊打底時焊接線能量控制在7~10KJ/cm，焊條電弧焊填充蓋面時焊接線能量控制在15~20KJ/cm 時，焊接接頭力學性能較為理想。同時在焊接操作過程中焊接線能量過小，金屬流動性差，焊縫成形不良，易產生咬邊、未熔合等焊接缺陷 ^[1]  。