提高 P92 钢焊缝冲击韧性的焊接工艺设计

1、超（超）临界锅炉用钢及焊接技术协作网第三次论坛大会论文集提高P92钢焊缝冲击韧性的焊接工艺设计冯才根（上海电力安装第二工程公司，上海市吴中路45弄5号，200235）摘要：对P92钢焊缝金属冲击韧性有影响的所有焊接参数中，焊接热输入即焊接线能量的控制是最为重要的。焊缝组织的粗晶脆化、奥氏体的不完全分解、热影响区的型裂纹、热处理温度的敏感性等都和焊接热输入有密切的关系。在焊接工艺上，影响焊缝金属冲击韧性的主要因素是焊接热输入的适宜性。通过P92钢焊接工艺的优化，在焊接接头的形成过程中，采用尽量小的焊接热输入、接近下限温度范围的预热和层间温度、保证足够的高温回火温度和蕴温的时间、确保小于20内外壁

2、温差等措施，实现提高焊缝的冲击韧性的目的。关键词：P92钢； 焊缝金属； 冲击韧性； 焊接热输入； 工艺设计1 概述P92钢是在P91钢的开发思路上，日本首先于上世纪80年代后期开发出来的高温强度更高的9%Cr马氏体耐热钢（日本钢号NF616）。和P91钢一样，P92钢也是一种新型的可焊细晶强韧化马氏体钢，它的闻世是冶金技术和制造应用技术进步的产物，它采用超纯净冶炼技术，如铁水预处理，碱氧炉炼钢、钢包精炼、真空精炼等，通过模铸、连铸、控温控轧及微合金化达到细化晶粒的目的。钢的强化方法及其对韧性的影响，主要是在控制轧制的过程中降低热轧温度、增加形变速度、限制形变奥氏体再结晶后的晶粒长大、Nb、V

3、等微量合金元素对细化晶粒的作用等技术来实现。P92钢与P91钢的差别：在成份上的主要差别是增加了约1.7%的W，并将P91钢约1%的Mo含量降为约0.5%。在焊接方面有专门的焊接材料，并由于W是铁素体形成元素，焊缝冲击韧性有所降低。其余对予热、层间温度、焊接线能量，待马氏体转变完成随即进行焊后热处理以及热处理温度、恒温时间等主要工艺要求相近，但提出了更为严格的控制要求。正因为是细晶粒钢，通过焊接热循环过程后的焊缝金属是铸造状的粗晶结构，破坏了钢在细晶粒组织结构下获得的机械性能，使得焊缝金属的冲击韧性降低很明显。另一方面，为热强性而增加的铁素体形成元素W，也使焊接过程对于焊缝冲击韧性的下降起了促

4、进作用。因此，具有良好高温强度性能的P92钢，其焊缝的冲击韧性水平成了焊接接头安全服役的关键所在，在焊接工艺试验和随后的焊接产品生产中，涉及焊缝脆性的工艺因素都必须充分予以重视,提高焊缝的冲击韧性是焊接工艺设计考虑的重点之一。P92钢化学成分见表1。表1 P92钢化学成分表（Wt%）材 料 C Mn P S Si Cr W Mo V Nb N B Al Ni0.08T/P91 0.12 0.07T/P92 0.130.30 0.60 0.30 0.600.020 0.010 0.500.200.02 0.010 0.508.00 9.508.50 9.501.50 2.00n.s.0.85 1

5、.05 0.30 0.600.18 0.25 0.15 0.250.06 0.100.04 0.090.030 0.070 0.030 0.070不作规定 0.001 0.0060.0400.400.0400.40This is trial version147超（超）临界锅炉用钢及焊接技术协作网第三次论坛大会论文集2 影响焊缝韧性的因素P92钢的焊缝韧性与母材不同，焊缝金属在其熔敷成型及冷却过程中，焊缝的铸造组织不具备细晶强韧化的条件，也不可能取得控制轧制和形变热处理的机会，即不可能由此获得如同母材经过连铸、控制轧制达到细化晶粒的目的。其中的Nb、V等合金元素也不能象在母材中以极细颗粒弥散析

6、出的Nb、V碳氮化合物而高度细化晶粒。相反，由于熔池的高温以及快速的凝固冷却，熔敷金属中的少量Nb、V 等微合金化元素仍固溶在金属中，没有以碳化物形态形核细化晶粒来韧化焊缝，反而以固溶强化形式而损失了焊缝的韧性。从韧性角度看，焊缝是整个焊接接头的薄弱部位，P92钢焊缝金属的冲击韧性总是低于母材的。因此，焊接工艺的设计，应该在提高焊缝的冲击韧性的工艺措施上予以充分的重视，多方面考虑焊接热输入、热处理等环节的影响。 2.1予热及层间温度对焊缝金属韧性的影响由于P92钢的C、S、P等元素含量低、纯净度高，且具有晶粒细、韧性高的特点，焊缝的低碳马氏体具有一定的塑性。虽然焊接冷裂纹倾向因此大为降低，但为

7、了提高焊缝金属的韧性和防止冷裂纹的产生，焊接时仍必须采取一些必要的预热措施。值得注意的是，P92钢的冷裂纹敏感性低于P22 钢。冷裂纹敏感性按照T23P122P91 P92P22 的顺序增高，而合金含量是按P22T23P91P92P122 的顺序增加。显然，这与采用传统碳当量评估冷裂纹结果完全不一致。因此，简单地用合金元素总量来衡量P92钢的焊接性从而选择预热工艺是不适合的。已有资料表明，无论是国际焊接学会（IIW）推荐的碳当量公式还是其它的那一种碳当量公式对这类钢都不适用【1】根据国内外有关研究单位的试验结果及各我们所做的焊接工艺试验结果表明，预热及层间温度宜控制在200250 范围内，钨极

8、氩弧打底时可降低至150200可以防止冷裂纹的发生。过高的预热温度和层间温度，对防止冷裂纹没有必要，而且还会因在焊接热循环的共同作用下，使焊缝金属在高温（1100以上）停留时间长，晶粒长大变脆，至使焊缝金属韧性降低。从连续冷却曲线可知，如果采用过高的预热温度和层间温度,焊缝高温停留时间相对要长,而且焊缝冷却速度相对要慢，其冷却曲线触及高温转变区，致使形成铁素体。并且，高温转变区停留时间越长组织就越粗大，甚至出现魏氏体及网状晶界。P92钢的焊接，要求在保证不产生焊接冷裂缝的基础上，避免采用过高的预热温度，严格控制层间温度及焊接热输入量，以免焊缝冷却太慢，形成铁素体转变和碳化物析出强化韧性。2.2

9、焊接热输入对焊缝金属韧性的影响控制焊接的热输入量，调整电流大小、焊接速度、焊道宽窄和焊层厚薄是热输入量的主要途径。如前所述，焊接热输入量大，焊缝金属在高温（1100以上）停留时间长，晶粒长大变脆，致使焊缝韧性降低【2】【5】【1】，降低焊缝。由线能量公式分析可以看出，假设电弧电压为常数, 要降低焊接热输入，可以综合考虑调节焊接电流和焊接速度两个参数，不能单纯的减小焊接电流。焊接电流过小，熔池铁水粘度大，流动性差，易造成未焊透、夹渣等工艺缺陷。焊接电流的控制应保证铁水流动性适当、熔池清晰、熔合良好。在此前提下，提高焊接速度，减少焊层厚度，达到降低焊接热输入的目的，因此焊层厚度是焊接热输入的直观反

10、应。这就是引出一个多层、薄层、多道焊“回火效应”的概念，“回火效应”对于提高焊缝韧性是十分有利也是十分有效的。假如焊道和焊层过厚，就会削弱“回火效应”，甚至丧失这种效应。 2.3 焊后热处理规范对焊缝金属韧性的影响P92钢和P91钢一样，对于焊接接头必须做高温回火热处理。由于焊后状态焊缝中的奥氏体不能立即完全转变成马氏体，所以不能焊后立即升温进行回火热处理。要求焊后冷却至Mf点以下，。有拘束试验的结果表明，P92钢防止冷裂纹所需的最低予热温度低于P22钢。但是，它们终久还是有一定的焊接冷裂纹倾向的。焊接时必须相应地采取一些预防措施，需要一定的予热及层间温度，不能一味追求采取小的焊接热输入而偏废

11、预热,从而致使冷裂纹的产生。148This is trial version标准分享网 免费下载超（超）临界锅炉用钢及焊接技术协作网第三次论坛大会论文集即80100区间等温足够的一段时间，待马氏体转变完全后再升温进行最后的回火热处理。由于低碳马氏体仍然有淬硬和冷裂纹倾向，P92也不允许冷却至室温后再升温进行热处理，焊后状态形成的马氏体中过饱和氢的扩散和集聚，在室温停留一定的时间后有可能致使冷裂纹的产生。热处理温度对焊缝冲击韧性的影响是很明显表2 不同温度下的热处理温度对冲击韧性的比较 焊缝上部冲击功（J）不同温度的热处理1-1730×6h 冲击韧性 770×6h 冲击韧性3

12、9试样编号平均1-2 391-3 4039.332-1 272-2 253-3 3428.67焊缝根部冲击功（J） 试样编号平均的,工程上P92钢管壁厚接近100mm,考虑内外壁的温度差的允许极限,我们比较了温差在20时造成内壁低于750的焊缝金属的冲击韧性。对此，在P92钢360×56mm管子的焊接接头上做了730和770的热处理后焊缝冲击韧性的比较试验,模拟厚壁管内外壁温差在40时的焊缝冲击韧性。比较数据见表2。68 46 57 67.00 72 60 55 62.33实验证实，焊后回火温度在730时，焊缝金属的冲击韧性远远低于P92钢不低于41J的技术要求。也就是如果厚壁管的内

13、外壁温差大于40时，内壁焊缝的冲击韧性是令人担忧的。还应该注意的是，焊接材料的成分与母材不尽相同，为提高焊缝金属的冲击韧性而添加了较多于母材的镍含量(Ni0.55%)，并对有关元素的含量作了调整，各制造厂所提供的同一型号的焊接材料成分也是有区别的，熔焊金属的AC1温度有差异,它将影响回火温度的选择和控制而影响焊缝冲击韧性.2.4 热影响区IV型裂纹倾向对焊缝金属韧性的影响通过热处理强化的铁素体热强钢，由于低于临介温度的过回火作用和在临界温度范围内微观组织结构的变化【3】良好，不产生焊接冷裂纹的基础上，应尽量不采用过高的预热及层间温度，不采用过大的焊接线能量，采取多层多道焊并避免过厚的焊道，努力

14、使热影区软化带变得窄一些，缩小其影响。 2.5 时效倾向对焊缝金属韧性的影响T/P92钢在500650的工作温度范围内 具有较明显的时效倾向，3000小时时效后其韧性 下降了许多，P92钢的冲击功从时效前的220J左右降到70J左右。时效过程中，Cr、W、Mo等合金元素与Fe、Mn、Si形成金属间化合物“Laves相”，导致韧性恶化。与母材成分相近的焊缝也有同样的倾向，为了确保时效后焊缝韧性能保持在要求的水平上，时效前焊缝的原始韧性必须有充分的富裕量。，在热影响区细晶区析出相的粗化程度要比母材和热影响区粗晶区大得多，易于促使蠕变空洞成长，从而有利于形成型开裂。在对焊接接头进行持久强度试验时和在

15、高温长期运行中，往往断裂在这个称作“弱化区”的部位。在位于焊接接头热影响区AC3附近或AC1AC3区间的“弱化区”发现的裂纹，称作型裂缝【3】3 焊接工艺设计中对热输入和热处理的控制原则对于焊缝冲击韧性的损失情况的分析,在我们通过将近半年的焊接工艺试验过程中得到了验证。对焊接热输入量参数的考虑，除了对焊接工艺缺陷的预防外，更主要的是对提高焊缝金属冲击韧性的考虑。为了控制型裂缝，焊接时在保证焊接熔化149This is trial version超（超）临界锅炉用钢及焊接技术协作网第三次论坛大会论文集针对上述五个方面的影响，分别制定了相应的措施，这些措施对提高焊缝韧性的作用，都已经被焊接工艺试验

16、所验证，并为工程焊接施工编制标准化焊接工艺文件（WPS）提供了可以信赖的技术支持。 3.1 适当预热从焊接工艺上来说,预防高合金耐热钢冷裂纹产生最常用的措施,除了选用合适的焊接材料外,焊前预热是首选的。对于P92钢来说，并不能沿用珠光体耐热钢那样的预热温度，也不能借鉴碳当量公式来考虑预热温度的值。考虑到焊缝氢、拘束度和淬硬的综合影响，适当的预热是必不可少的。从热输入量提高韧性的方面考虑，预热温度应该在P92钢斜Y型焊接性试验的止裂温度（100）以上，即GTAW：100150 、SMAW：200250范围。高于这一温度范围，对于总热输入是不利的。 3.2 严格控制层间温度层间温度的控制，在P92

17、钢焊接工艺中是应该得到重视的。不少文献中提到的层间温度的范围是有具体的试验对象，不能完全照搬。我们通过试验，同样的焊接热输入，所选用的层间温度不同，最后的冲击韧性也是不同的。我们用同样的焊接热输入量，采用两种不同层间温度在板材试件上进行试验。层间温度控制在150200全焊缝的冲击韧性比层间温度控制在200250全焊缝的冲击韧性要高。因此，P92钢焊接材料供应商提供的层间温度，在很多的场合中是应该谨慎引用的。很多文献提到层间温度控制的范围基本低于焊接材料供应商提供的层间温度。这一点，我们通过焊接工艺试验，已经引起了充分的注意。因此，我们针对不同壁厚的P92钢管，考虑选择层间温度范围的下限。在考虑

18、层间温度控制时，除了在试验中找到一个合适的温度值外，还必须分析层间温度的测量点设置的合理性。不同的测量部位，得出的测量结果是有很大的区别。我们在工艺文件中有对层间温度的测量有明确规定：在焊接电弧前进方向的前端30mm处为移动的红外线温度测量点，当在该处的温度接近层间温度上限时停止焊接。保证层间温度测量数据和控制依据的适宜性。 3.3 尽量小的焊接热输入150在所有有关对新型铁素体耐热钢P92的报道文献中，都提及对焊接热输入量考虑的重要性和必要性。在P92钢工艺试验的过程中，我们和大多数试验者一样，对热输入量的选择是比较谨慎的。在尽可能小的热输入量选择原则下，大多选择了薄层、窄焊道和多道焊的工艺

19、。但是，在实际施工现场中，考虑焊接生产效率，在实施时，过于严格的焊接电流控制的可行性会被质疑。于是我们考虑，在许可的工艺条件范围内结合受控的焊接操作手法，宽摆更容易得到较薄的焊层。由于宽摆实际的热输入更小，所以对于提高焊缝韧性更为有效。适当大的焊接电流与相适应的焊接速度组合，可以达到小的热输入量的目的。对于P92钢焊接，在熔化良好的条件下不采用偏大的焊接电流。对厚壁管而言,要求采用多层多道焊，焊层尽量薄，以便后焊道对前焊道产生良好的“回火效应”，焊接工艺试验结果和实践经验表明，焊道厚度控制在2.5mm3.0mm以下是合适可行的。也有文献可以表明【4】，焊缝的冲击值也受焊道类型即热输入类型的影响

20、。只要焊接位置允许，尽量得到横摆焊道。在焊缝宽度上横摆焊道的韧性比线状焊道的高。横摆焊道得到较薄的焊层，因此，经过下一道焊道，前一层可得到和线状焊道的厚焊层相比更大的“回火效应”。在蒂森公司提供的P91钢焊接材料焊接工艺试验报告中得到借鉴：薄层宽摆焊缝的冲击韧性比窄摆焊缝的冲击韧性高。在操作上，如表3、表4所示，我们在T/P92钢工艺试验前的焊接电流选择试验中发现：宽摆操作容易得到一个薄的焊缝,那是由于稍大的焊接电流,对于高合金钢焊条来说更容易操作，而对于增加焊接速度也是有利的。我们用Thermanit MTS 616焊条在对同一焊接位置（3G）一组20mm厚板材焊接的试样中，采用两种操作方法

21、：宽摆快速单道薄层焊（Hmax=35mm）；按焊规要求摆宽不大于焊条直径的4倍的薄层焊，两者冲击韧性结果基本相同。在表3、表4两组不同壁厚和焊层厚薄不同的试件比较中可以看出： 在同样的焊接参数下，影响冲击韧性的是焊后热处理时间。This is trial version标准分享网 免费下载超（超）临界锅炉用钢及焊接技术协作网第三次论坛大会论文集 蒂森公司提供的P91钢焊接工艺试验报告中提到的“薄层宽摆焊缝不会对焊接接头的冲击韧性有影响”可以在P92钢焊接工艺中借鉴。表3 小口径管不同焊接热输入量和冲击功热处理 770 1 ×2h 1 ×2h 2 ×1hA(A) 1

22、05110 130135 105110V (cm/min) 3437 3645 3437层数 4 3 496 101 66SA213T9248.3×8.47mm(冲击功 J)60 56 83 99 42 137 83 138 29 24 75 91 宽摆的实质是得到更薄的焊层，单位长度的焊缝输入的热量有限。93132 86表4 不同焊条摆宽对冲击韧性的影响试样 编号焊接参数电流 (A) 110 115 118 (外层) 110电压 (V) 22.3 26.7 24 27速度 (mm/min)123冲击功 (J)46平均3G-1 58.8 72 64.536 62 55 65 59.1

23、3G-2 120 56 73 59 51 60 63.560.4热处理条件：试件条件: 16Mn板材。300mm×125mm×20mm。 坡口角度25O。 坡面堆焊三层共5mm。 间隙15mm；加垫板。3G-1 薄层宽摆焊不预热150层间温度50150。3G-2 多层多道窄摆预热150层间温度150250。焊后热处理:760±10×4小时3G-1 薄层宽摆焊层 8 7 6 5 4 3 2 1摆宽 （mm） 35 32 29 26 23.3 20.5 17.5 15焊缝厚度 （mm）层 7 6 5 4 3 2 13G-2 多层多道窄摆摆宽 （mm） 9 1

24、1 10 13 12 17.5 15焊缝厚度 （mm）2.5 2.93.4掌握后热时机对P92铁素体耐热钢来说，由于组织中存在未完全转变的奥氏体中仍存有在高温时被饱和溶解的氢，在冷却时向低温组织转变的过程中氢向外扩散的速度很慢。因此，当由于工艺需要焊后不能及时进行热处理时（如中间探伤检验），有必This is trial version151超（超）临界锅炉用钢及焊接技术协作网第三次论坛大会论文集要在焊后焊接接头冷却到低于Mf点以下的温度 80100，并保持不少于一小时后进行的以脱氢为目的的后热处理。一方面达到安全地消除组织未完全转变的奥氏体，另一方面有利氢扩散逸出，防止冷裂纹产生。在不少的经

25、验介绍中，对后热处理也有不同的工艺，这些不同的后热工艺得到不同的焊缝冲击韧性。一种是在焊接以后立即升温至350做后热处理，恒温2小时的后热处理。另一种是焊接后冷却至马氏体转变结束温度100保持12小时后再做后热处理。我们分析：在第一种方法从理论上分析：焊后立即后热升温至350，焊缝金属长时间在马氏体开始转变的区域内停留，残余奥氏体容易向中间相转变,最后焊缝不能完全是回火马氏体的金属组织。资料数据表明,焊后立即做后热处理和焊后在Mf停留不同时间再后热处理几组的试样对比，前者的冲击吸收功是最低的,这和我们的分析相吻合。因此，对于P92钢而言，即使后热，也应该在焊缝冷却至Mf以下的80100并恒温不少于一小时，才被允许进行后热处理。(4) 小的焊接热输入减小热影响区的尺寸，同时减小了型“弱化区”的宽度。由此提高了接头蠕变断裂强度，推迟因“型”区形成而引起的“型”蠕变断裂。(5) 对于厚壁管的焊接接头相比，薄壁管焊接接头热影响区型蠕变断裂强度降低的程度更大。薄壁管焊接时，更应尽可能减小焊接热输入，以减小AC3 附近加热区域的宽度。(6) 小的焊接热输入有益于提高了焊缝的韧性,从而为高温时效提供了富裕的韧性储备。(7) 综合国内外有关研究机构的试验结果、材料商提供的参数和我们所进行的经过专家审核的焊接工艺试验结果，焊后须经过75