P91与20Mn Mo材料焊接工艺的研究

竺 凌

（上海电气电站设备有限公司上海电站辅机厂，上海 200090）

P91与20Mn Mo材料焊接工艺的研究

竺 凌

（上海电气电站设备有限公司上海电站辅机厂，上海 200090）

某型蒸汽冷却器筒身采用的材料为P91，该材料使用在国内冷却器制造中尚属首次。按冷却器的图纸要求，P91材料需与20Mn Mo低合金钢材料进行焊接，P91材料属于回火马氏体组织，这2种材料无论是在力学性能还是在化学成分上，均有很大的差异。通过试验，针对此类异种材料的焊接，选择了合适的焊材及合理的焊接工艺，确保了焊缝的焊接质量。

超超临界；冷却器；P91材料；低合金钢；异种钢；焊接；焊材；工艺

0 概 述

江苏泰州电厂采用了国内首个百万级超超临界二次再热机组，也是当今较先进的绿色低碳发电机组。该机组的建成，标志着我国火力发电制造技术有了新的突破。

在二次再热机组中，蒸汽冷却器管板采用了20Mn Mo低合金材料，蒸汽冷却器的壳程部分采用了Gr91／T91高合金材料，该类材料应用在压力容器中，在国内尚属首次。P91钢是一种改进型的9Cr－1Mo钢，该材料是在9Cr－1Mo钢的基础上，通过添加V、Nb、N等合金元素后形成的马氏体钢。P91钢的热膨胀系数低，导热性好，是一种物理性能较好的热强钢。但与低合金材料20Mn Mo焊接时，因2种材料的差异大，可焊性较差，所以，对焊接工艺和热处理均有严格的要求。

1 异种钢焊接的可行性分析

1.1 材料的特性

P91是介于珠光体耐热钢与奥氏体不锈钢之间的钢种，由于含Cr量较高，所以抗氧化性很好，在高于580℃温度中，该材料的高温持久强度比一般常用的珠光体耐热钢高，并且还有较好的抗蠕变性能。但P91淬硬倾向大，焊后在残余应力及扩散氢的共同作用下，冷裂倾向较大，其可焊性较差。

20Mn Mo是一种C－Mn低合金钢，金相组织为珠光体＋铁素体，该材料中的Mn元素能提高钢的强度，并随着Mn含量的增加，钢的强度和硬度也会提高。钢中的Mo元素在固溶于铁素体和奥氏体时，可显著提高钢的再结晶温度，提高回火稳定性，使调质后韧性得到改善。20Mn Mo低合金钢的淬硬倾向虽比碳素钢大，但要比P91小，冷裂的倾向一般，可焊性尚可。因此，20Mn Mo材料具有强度高、韧性佳、焊接性能好的特点。

2种材料的化学成分，如表1所示。2种材料的力学性能，如表2所示。

表1 P91及20MnMo材料的化学成分 （%）

表2 P91与20MnMo材料的力学性能

1.2 焊接特性

因P91材料的合金元素含量高，在焊接热循环作用下，焊缝及熔合线附近的晶粒急剧长大，易出现淬硬的马氏体组织，使焊缝金属的脆性增加，冷裂敏感性大。

当P91焊缝及热影响区域经电弧加热后，材料温度将超过1 100℃，奥氏体晶粒会迅速长大。如在1 100℃以上停留时间越长，晶粒粗化越严重，在随后冷却过程中会形成粗大的马氏体组织，从而降低焊接接头的冲击纫性。所以，在焊接P91材料时，必须严格控制焊接线能量，尽可能减少焊材输入量。但是，焊接线能量也不宜过小，小则冷却过快，电弧一旦离开，熔池马上开始迅速降温，冷却达到马氏体转变温度以下后容易出现淬硬组织，形成粗大的马氏体组织，导致脆化。因此，凡与P91材料焊接时，须采取预热措施，并对层间温度进行严格控制。预热温度选在马氏体转变点附近（推荐值为200～250℃），防止焊缝冷却过快形成淬硬组织。焊接的层间温度应控制在300℃以下，防止焊缝高温停留时间过长，形成粗大晶粒。

由此可见，对于P91与20Mn Mo材料的焊接，要求具备严格的工艺措施，稍有不慎，焊缝就存在质量风险。

此外，由于P91马氏体钢加入 Mo、V、W等易形成碳化物的元素，从而在焊接中会导致碳的迁移。马氏体钢Cr含量高，Cr与C的亲和力又很强，在马氏体钢一侧，将因碳的迁入而形成增碳层，在低合金钢一侧由于碳的迁出，形成脱碳层。如果焊后除应力的保温温度或保温时间设置不当，会导致碳分子的扩散，将大大增加焊缝失效的潜在风险。

1.3 焊后热处理

在国家能源局颁布的标准（NB／T 47014－2011）母材分类表中，P91，20Mn Mo分别属于Fe－5B－2和Fe－3－2，2种材料的焊后热处理保温温度规定完全不同。20Mn Mo材料下转变点温度Ac1为730℃，交货状态：淬火＋回火（Q＋T），调质处理的回火温度在650℃左右。根据NB／T 47015－2011标准规定：焊后热处理温度不但应低于下相变点Ac1，还应低于调质处理的回火温度。因此，20Mn Mo材料焊后热处理温度为600～650℃，与P91的焊后热处理温度（730～770℃）没有交集。

1.4 异种钢焊接工艺的制定

P91与20Mn Mo材料焊接工艺复杂，直接焊接后最关键的瓶颈就是焊后热处理无法进行。因此，该异种接头直接焊接的可行性不存在。综合异种钢的焊接方法后，认为可采用堆焊过渡层的工艺方法。

对2种母材的材质进行了分析，有2种可选用的堆焊层工艺方案。（1）采用镍基过渡层。（2）采用比P91铬、钼（Cr、Mo）含量低的过渡层（如2.25Cr－1Mo）。方案2的制造成本较低，但2.25Cr－1Mo耐热钢过渡层与20Mn Mo材料焊接也有焊后热处理问题。按NB／T 47015－2011《压力容器焊接规程》表5条款要求，2.25Cr－1Mo类材料推荐的热处理温度需≥680℃，虽然可适当降低热处理温度（最低热处理温度≥650℃），并延长保温时间来规避，但根据该类铬钼钢材质的特点，如果热处理温度过低，可能会影响其焊接接头的冲击性能，而且≥650℃的焊后热处理也达到了20Mn Mo调质处理的回火温度，违背了标准中的规定。

综合各项影响因素后，最后还是选择了方案1开展焊接试验和分析。分别对P91、20Mn Mo材料进行堆焊，采用镍基材料作为过渡层，堆焊层厚度应保证一定高度，目的是保证焊缝金属逐渐过渡到纯镍基材料。堆焊后，各自按母材规定的热处理温度进行焊后热处理，最后演变成过渡层与过渡层的对接，且镍基材料对接后不再进行焊后热处理。

2 试验过程

2.1 试验材料及焊接工艺

试验时选用SA182F91及20Mn Mo锻件作为母材，试件厚度为40 mm。试件过渡层及对接填充焊材均采用高匹配625镍基材料。过渡层堆焊材料：焊带材料为EQNiCr Mo－3；对接填充材料：埋弧焊丝ERNiCr Mo－3；焊条材料ENiCr Mo－3。焊材的化学成分，如表3所示。

表3 镍基焊材的化学成分 （%）

母材坡口侧采用电渣焊方法堆焊镍基过渡层。在堆焊过程中，应采用小线能量焊接，焊后急速冷却；层间温度不宜过高，建议控制在150℃以下；堆焊至一定高度后，在后继的每层堆焊中，应用非铁基砂轮打磨堆焊层表面，清除焊缝表面的有害杂质。

堆焊后母材按各自材料规定的热处理温度进行焊后热处理。

热处理后，母材坡口侧开X型对称坡口，坡口角度为2×35°，坡口间隙0～2 mm，堆焊层距离母材保证一定高度。坡口型式及尺寸，如图1所示。

图1 SA182F91、20Mn Mo对接坡口型式

施焊时，让试件始终处于平焊位置。采用手工电弧焊（SMAW）＋埋弧自动焊（SAW）的施焊方法，各焊20 mm。先采用手工电弧焊方法焊接一侧，反面清根后，再采用埋弧焊方法焊妥另一侧。采用多层多道小规范参数进行焊接。

2.2 机械性能试验

试件经外观检查及X射线无损检测合格后，按NB／T 47014－2011《承压设备焊接工艺评定》的规定切取试样。接头拉伸试样按GB／T 228规定要求，将试样放在200T万能试验机上进行拉伸试验；侧弯试样按GB／T 2653规定要求，放置在三缸弯曲试验机上进行试验；按GB／T 229规定要求，将焊缝及热影响区的冲击试样，放置在J冲击试验机上试验。试验后得到的数据，如表4所示。

表4 试样的力学性能和冷弯性能

经测试，试样的各项试验数据均符合NB／T 47014－2011《承压设备焊接工艺评定》的规定。虽然拉伸试样的断裂部位在母材与堆焊层的交界处，也是强度较低的区域，但测试显示的抗拉强度数值，远高于20Mn Mo母材在标准中允许的最低值，确保了焊接接头具有优良的力学性能。宏观金相试验中，没有发现试样存在裂纹、未熔合或未焊透等缺陷，微观金相试验中，试样无异常偏析现象。材料的微观金相图，如图2所示。

图2 材料的微观金相图

3 异种接头的失效风险

对于P91异种钢采用镍基焊材的焊接接头，曾有失效的例子。但依据国内外学者多年的研究结果，已经证实早期焊接接头失效的原因，是由于材料的蠕变损伤，造成了焊接接头的脆性失效。P91异种钢的焊接接头经长期高温运行后，原本弥散分布在晶界和晶内的M23C5碳化物开始变得不稳定，发生了晶粒长大和熟化，即基体相中的Mo、Cr、Fe等元素向碳化物内转移，晶粒沿晶界会聚集长大，使得材料的金相组织不均匀。在材料长期蠕变的作用下，形变传播在晶界处受阻，位错在晶界处堆积，造成该处的应力集中，由位错滑移和攀移造成亚晶界，导致P91钢侧的蠕变强度降低。由于接头母材性能的不一致，所以在焊缝部位产生了热应力，在长期应力的作用下，就可能在晶界及亚晶界处产生蠕变微裂纹。

从P91异种钢焊接接头的失效机理分析，失效是在一个前期应力作用下发生的。P91异种钢焊接接头长期在高温下运行，接头使用温度往往在600℃以上。由于碳的扩散激活温度为425℃，如果接头长期运行在500～600℃高温下，接头的微观组织就会发生变化。当发生碳元素迁移及碳化物聚集长大的情况时，蠕变裂纹就有可能在脱碳区和碳化物聚集处产生。在蒸汽冷却器运行时，P91＋20Mn Mo异种钢焊接接头的最高工作温度不高于400℃，低于碳的扩散激活温度。因此，采用镍基焊材是可行的，不存在接头失效的风险。

4 结 语

由于P91及20Mn Mo材料的差异性大，焊接时，接头必须采用过渡层的工艺方法。经试验，P91与20Mn Mo异种钢的焊接接头，可采用镍基625焊材作为过渡层，对接焊材也选用镍基625材料。经测试，该异种钢接头的性能良好，当工作温度低于碳的扩散激活温度时，接头不存在因蠕变损伤造成的失效风险，符合相关标准及制造方面的要求。

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Welding Procedure Research for Dissimilar Steel Joints Between P91 and 20Mn Mo

ZHU Ling
（Shanghai Electric Power Generation Equipment Co.，Ltd.Power Station Auxiliary Equipment Plant，Shanghai 200090，China）

P91 is used as the material of shell of steam cooler.It is the first time to do so in China.According to the drawing，P91 shall be welded with 20Mn Mo.While P91 is the structure of martensite，which is different from 20Mn Mo in mechanical efficiency and chemistry component.According to the result of the test，we choose the suitable welding material and appropriate welding procedure for the dissimilar steel weld，which guarantees the welding quality.

ultra－supercritical；cooler；P91 material；low－alloy steel；dissimilar steels；welding；welding material；procedure

TK264.1

B

1672－0210（2015）02－0031－04

2015－04－24

竺凌（1982－），男，工程师，毕业于上海工程技术大学，现从事焊接工艺方面的技术工作。