高合金细晶粒钢的焊接

一、概述

高合金细晶粒钢，是指钢材本身合金含量高，通过细化晶粒，析出弥散细小的碳、氮化合物，从而获得强度更高、韧性优异的钢。T91/P9是近年来研究、开发的高合金细晶粒钢，目前已广泛应用于火力发电机组的主蒸汽管道和高温再热蒸汽管道。T91/P91钢是一种改进的9Cr-1Mo钢，在美国试验材料委员会(ASTW)和美国机械工程师学会(ASMW)标准中，T91代表锅炉用的小直径钢管，P91代表锅炉用的大直径钢管，F91代表锻钢。美国、法国、德国、中国高合金细晶粒钢近似对照见图1。


图1
T91/P9钢是一种比较常用的新型铁素体耐热钢，本身具有比较高的耐疲劳强度和良好的抗氧化性能，最高使用温度可达650℃。同时，T91/P91钢在高温下还具有比较高的蠕变断裂强度及许用应力。

二、T91/P91钢的焊接性

1、焊接冷裂纹敏感性

新型铁素体耐热钢的焊接冷裂纹敏感性，比传统铁素体耐热钢焊接冷裂纹敏感性低。在评判裂纹敏感性时，不能用碳当量Ceq或裂纹敏感指数Pom来判断T91/P91钢的焊接裂纹敏感性，因为这些参数是在实验的基础上得到的，有着严格的适用范围，它们只适用低合金钢，而不适用新型铁素体耐热钢。

2、焊接热裂纹敏感性

由于新型铁素体耐热钢的C和S、P等含量都很低，虽然Nb能够提高焊接热裂纹敏感性，但与传统铁素体耐热钢相比，焊接热裂纹敏感性还是比较低的。

3、焊缝金属的韧性

焊后的冷却速度对焊缝金属冲击韧度的影响是明显的，随着冷却速度的降低，冲击韧度降低。因此，该类钢焊接时，要求采用小热输人的焊接参数，并且在满足焊缝金属韧性要求的前提下，尽量降低预热温度和层间温度。

4、时效倾向

新型铁素体耐热钢的时效是不可避免的，但可以使时效引起的韧性下降，仍然能够满足使用要求。具体措施是提高焊缝金属的冲击韧度，使时效后的冲击韧度仍然能够满足使用要求。然后是用降低焊缝金属的Si含量，从而达到降低时效效果。

5、焊缝中δ相

焊缝中的残留δ相，会大大降低材料的冲击韧度和蠕变断裂强度。为此，除了在焊接时选择合理铬当量的焊接材料外，还要避免过高的预热温度和层间温度，选择较小的焊接热输人。

6、接头的蠕变断裂强度

与传统耐热钢一样，新型耐热钢焊接接头也存在一个蠕变断裂强度降低的区域，导致焊接接头的使用寿命比母材和焊缝短。防止蠕变断裂强度的措施有：

（1）采用小的焊接热输人，快速焊接，尽量降低预热温度和层间温度。

（2）消除母材原来奥氏体晶界上分布的碳化物，焊前需对母材进行正火。

（3）利用硼元素对晶界析出物的稳定作用，开发新的高硼低氮的新型铁素体耐热钢。

三、焊接案例：T91钢管对接水平固定手工钨极氩弧焊打底、焊条电弧焊盖面单面焊双面成形

1、焊前准备

（1）焊件材质：T91钢管，其化学成分见图2。


图2
力学性能见3。


图3
（2）焊件规格尺寸(外径x管厚)为：42mmx4mm。

（3）坡口形式V形坡口及焊缝层次见图4。


图4
（4）焊接材料焊接材料见图5。


图5
（5）焊接设备：ZX5-400型弧焊整流器1台，氩气瓶，氩弧焊焊枪。

（6）钨极：纯钨型，直径为2.5mm。

%辅助工具：焊缝万能量规和焊条保温筒等。

2、焊前的装配定位

（1）焊前的打磨将焊件用角磨砂轮打磨并去除坡口表面及其两侧各30mm范围内的氧化皮、油、污，直至露出金属光泽。

（2）焊件定位按4所示的进行组装，加热定位焊焊接区，当定位焊焊接区温度达到250~300℃时进行定位焊，定位焊缝长度为15~20mm，定位的焊接参数见图6。


图6
3、焊接操作

（1）焊接全焊缝时，预热温度在200~250℃，层间温度控制在200~300℃好。在管子内侧，坡口中心两侧各250~300mm范围内填充氩气保护，T91钢管对接水平固定手工TIG焊打底、焊条电弧焊盖面单面焊双面成形的焊接参教见图6。

（2）焊接过程采用短弧焊接为好，注意控制焊接速度。

（3）焊接时，非焊接部位要禁止引弧，焊缝咬边缺陷不超过规定时，可以进行修磨。

（4）焊接过程要严格控制焊接热输人在35kJ/cm之内，层间温度控制在25℃以下。

（5）焊条焊前要经过380~400°C烘焙1h,随烘随用。

（6）管子打底焊时采用手工钨极氩弧焊，按时钟钟面位置3点→6点→9点，可分为上、下两个半圆，焊接应由下半圆开始，可以采用“内填丝法”和“外填丝法”焊接。盖面层焊接采用焊条电弧焊工艺，可以采用“断弧焊法”和“连弧焊法”。

（7）盖面焊接前，应仔细地打磨填充层表面，保持待焊层表面平整，填充层焊缝表面与焊件表面距离1.5~2mm。

（8）盖面焊过程中，焊条作锯齿形摆动，当电弧运行到坡口两侧边缘处时，应稍作停顿，使焊道与坡口两侧边缘处充分熔合以1~2mm为宜。

4.焊后热处理

焊后焊件经300~350℃的消氢处理，保温2h，焊后热处理温度为750士20℃，保温2h。

5.焊接质量检验

按中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局颁布实施的TSGZ6002一-2010《特种设备焊接操作人员考核细则》评定:

（1）焊缝外形尺寸焊缝余高差≤2mm，焊缝宽度比坡口每侧增宽0.5~2.5mm，宽度差≤3mm。

（2）焊缝表面缺陷咬边深度≤0.5mm，焊缝两侧咬边总长度不超过焊缝长的10%。背面凹陷深度：当管壁厚≥5mm时，深度≤20%壁厚，且≤2mm，焊缝表面不得有裂纹、未熔合、夹渣、气孔、焊瘤和未焊透。

（3）焊缝内部质量焊缝按JB/T4730.2--2005《承压设备无损检测第2部分射线检测》标准进行检测。